アデニルシクラーゼ

アデニル・サイクラーゼ関連タンパク質（CAP）はすべての真核生物でアクチン細胞骨格と細胞接着を制御している。

カルモジュリン感受性アデニル酸シクラーゼについては炭疽病浮腫因子を参照。

はじめに

哺乳類のアデニル酸シクラーゼには10のアイソザイム、ADCY I-X型、（adenylyl cyclase I-X）、その他の生物にはさらに多くのものが存在する。 すべての哺乳類および他のほとんどのアデニルシクラーゼはクラスIIIに属し、ほとんどが膜タンパク質で、すべてがcAMPを生成し、その能力は特定の条件またはリガンドに反応して活性化または不活性化されることが可能である。 すべての哺乳類膜結合型アデニル・サイクラーゼはGタンパク質のαサブユニットによって活性化されるが、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、Gタンパク質のβγサブユニットなどのリガンドに対しては異なる反応を示す。 哺乳類のアイソザイムの一つであり、原核生物のアデニル・サイクラーゼの一部は、環境条件、主にpHに応答する。

Cyclic Adenosine Monophosphate

哺乳類においてcAMPは二次メッセンジャーとして働き、その機能の一つはプロテインキナーゼA（PKA）の活性を制御することである。 PKAは細胞内で非常に多様な役割を担っており、その多くは代謝に関連しているが、転写、細胞周期、アポトーシスなどでも重要な役割を担っている。 cAMPの最終的な運命は、3’、5′-環状アデノシン一リン酸ホスホジエステラーゼによるホスホジエステル結合の開裂によってAMPに変化する。

ピロリン酸

この反応の副産物であるPPiがピロホスファターゼによって開裂すると、2分子の無機リン酸（Pi）が生成される。 ATP合成酵素はこの無機リン酸をアデニン二リン酸（ADP）に再び取り込み、プロトン運動力のエネルギーを使ってATPを作ることができる。

哺乳類アデニルシクラーゼ

哺乳類にはアデニルシクラーゼI-X型、（ADCY I-X）の10種類のアイソザイムが存在する；哺乳類のアデニルシクラーゼはcAMPが二次メッセンジャーであるシグナル伝達経路で重要な役割を担っている。

ADCY-I-Xは、6本の膜貫通らせんからなり、酵素を膜に固定する機能を持つ2つの膜貫通領域（M1、M2）と、さらに細分化できる2つの細胞質領域（C1、C2）（C1a、C1b、C2a、C2b）からなり、すべての触媒活性とGタンパク質およびフォルスコリンによる調節機能を有するという共通の構造を有しています。 溶液中では、C1aおよびC2aドメインは、同一または異なる酵素において互いにヘテロダイマーを形成することができ、また、異なる酵素上でそれらの同一ユニットとホモダイマーを形成することができる。 C1bドメインは非常に大きく（≒15kDa）、多くの調節部位があり、アイソザイム間で構造が変化する。一方、C2bドメインは多くのアイソザイムでほとんど存在せず、特定の機能との関連はまだ見つかっていない。

II型

構造

C2ドメインの単量体は、他のC2ドメインとホモダイマー形成に必要な領域を除き、内部が疎水性、反平行で、その周囲が両親媒性で囲まれている。 タイプIIアデニル・サイクラーゼのC2ドメインの2つの単量体は、溶液中で結合して、ATPからcAMPとPPiへの触媒的変換に必要な、C2ドメインを形成している。 この2つのドメインが結合すると、結合部位の中央に深い溝ができ、この溝の両端に2つの分子を結合させるのに適している。 フォルスコリンの酸素原子と周囲のペプチド骨格の間に強い水素結合が作られ、フォルスコリン結合部位には10個の脂肪族および芳香族残基が含まれているため、残りの相互作用は非常に疎水性である。 このフォルスコリンの結合により、単量体の間に疎水的な結合が生じ、それぞれがフォルスコリンと結合する2つの異なる疎水面を持つ。そして、この相互作用により、ホモ二量体が安定化されるのである。 フォルスコリンはまた、触媒活性に不可欠なAsn 1025と相互作用して適切な位置に配置し、さらにATPと直接相互作用することもある。 このホモダイマー・フォルスコリン複合体は、Gタンパク質のβγ-サブユニットとの結合を介して、シグナルに応答してさらに活性化されることができる. このβγ-サブユニットは、複合体の最外層にあるα-ヘリックスの一部を構成しているものに結合する。

このホモダイマーはクレバス内に位置し、2つの保存性の高い極性残基（Arg 997（緑）, Asn 1025（赤）, Ser1028（ピンク）, Arg 1029（オレンジ）, Asp 1031（黄）, Ser 1032（紫））によって特徴づけられています。 これらのセットは各単量体サブユニット上に1つずつあり、ホモダイマー上では反平行に配置され、互いに向かい合っている

過剰発現障害

哺乳類の脳では、記憶に基づく機能の実行は前頭前野（PFC）で行われている。 神経細胞上の過分極活性化環状ヌクレオチドゲート（HCN）チャンネルは、電気化学信号が軸索を伝わってシナプスに流れるように閉じるが、HCNチャンネルが開いていると電位信号が細胞内を伝わらなくなる。 このチャネルをcAMPにさらすとチャネルが開き、信号の伝達が停止するため、高次の認知思考が損なわれる。 統合失調症患者では、cAMP調節分子であるDISC1（Disrupted-in-Schizophrenia 1）が変異しており、cAMPレベルを調節できないため、cAMPレベルの上昇が統合失調症を引き起こすと考えられている。 HCNチャネルの閉鎖は、ADHDや双極性障害など、他の疾患にも関与していると考えられている。 アデニルシクラーゼは脳内に存在することから、II型アデニルシクラーゼを標的としたcAMP産生の調節が、これらの疾患の治療法として機能することは合理的である。 先に述べたように、ヒトには10種類のアデニル・サイクラーゼのアイソザイムが知られているが、大腸菌には1種類しかなく、結核菌には15種類のアイソザイムがある。 特に興味深いのは、結核菌が持つアデニルシクラーゼRv1264で、N末端が周囲の溶液のpHに応じて酵素の活性を調節する、いわばpHセンサーの役割を担っていることである。 このアデニルシクラーゼは、他の多くの酵素と同様にクラスIIIに属し、このクラスのアデニルシクラーゼは複数のドメインを持ち、少なくとも一つは触媒用、もう一つは調節用となっている。 活性構造は哺乳類のII型ホモダイマーに類似しており、あるモノマー（鎖A）のα-ヘリックスが別のモノマー（鎖B）の中央コイルドコイルを貫いて配置されている。 この二量化により、鎖Aの制御ドメインは鎖Bの触媒ドメインに近接し、逆に鎖Bの制御ドメインは鎖Aの触媒ドメインに近接している。 タンパク質には2つのスイッチ要素が存在し、1つはC末端ドメイン（α1-スイッチ）、もう1つはリンカー領域（αN10-スイッチ）にあり、これらは比較的小さな環境変化に応答して酵素に大きな構造変化を起こすことを可能にしている。

C末端触媒ドメイン

Rv1264の触媒活性は、以下の残基によって行われる。 Asp222（赤）、Lys261（青）、Asp265（オレンジ）、Arg298（ピンク）、Asp312（黄）、Asn319（紫）、Arg323（緑）である。 これらの残基はすべて、反応の中間体に対して電荷と極性が相補的な高極性環境を作り出している。 ATPのリン酸を誘導する残基であるアルギニン298と323は、活性部位でaを結合する。 この硫酸イオンは、触媒作用の際にATPのβ-リン酸が占める位置にある。 触媒作用の過程でβ-リン酸はα-リン酸から切断される。この反応は、β-リン酸とアルギニン298および323との間の補電結合によりエネルギーを下げることでより有利に行われることがある。 もう一つの残基である , は静電的相互作用によって分子を結合する。 この結合の具体的な機能は不明であるが、活性部位に近いため、触媒作用に関与している可能性がある。

アミノ酸配列の決定により、Rv1264アデニルシクラーゼ触媒ドメインと哺乳類アデニルシクラーゼ触媒ドメインの間の配列はよく保存されておらず、上述の哺乳類II型アデニルシクラーゼとは約25％しか対応していないことがわかった。 しかし、この2つの異なるアイソザイムは、一方を他方に重ね合わせるとかなりのオーバーラップがあり、すべての.NMRの79%の間で二乗平均平方根偏差（rmsd）が1.76Å未満という点でまだ互いに似ている。 Rv1264とタイプIIアデニル・サイクラーゼの触媒ドメインの顕著な違いはその相対的な大きさである；Rv1264には二量化アームがなく、いくつかのループが短くなっている。 この結果、Rv1264アデニルシクラーゼ触媒ドメインは2量体として結合し、その界面面積は哺乳類のタイプIIよりも小さく、それぞれ1900Å2、3800Å2であった。 Rv1264と哺乳類II型アデニル・シクラーゼの活性部位はさらに保存されており、活性部位内のrmsdはわずか0.69Å、活性部位内のrmsdは1.17Åである

C末端触媒ドメインの上記の構造情報はすべて、酵素が活性状態にあるときのみ当てはまる。 酵素の非活性状態では活性部位が分解されているため、触媒活性はない。 固定されたN末端ドメインに対して、C末端の単量体ドメインはそれぞれ最大6Åの転位と55°の回転が可能である。 このようにC末端ドメインの三次構造が大きく変化することで、活性部位が分解され、触媒残基が触媒活性位置から最大で25Åも離れてしまうのである。

α1-スイッチ

このスイッチはC-末端触媒ドメイン内にあり、酵素が活性状態にあるときはコンパクトなα-ヘリックスとして存在する。 不活性化するとα-ヘリックス構造は不安定になり、ランダムなコイルに変化する。 このスイッチは活性部位に近接しているため、構造が大きく変化すると活性部位が破壊され、酵素が不活性化する。

この構造は哺乳類のアデニル・サイクラーゼで保存されており、ATP基質のβγ-リン酸の結合部位として寄与している。

N末端制御ドメイン

N末端ドメインは、周囲の溶液のpHによって酵素が活性化するかしないかを決定するユニークな機構を持ち、調節に機能している。 触媒活性を持つ二量体の単量体はそれぞれ10個あり、二量化すると円盤状の構造を形成する。 1分子が疎水性ポケットに結合する。

αN10-スイッチ

このスイッチはリンカー領域にあり、その構造変化はα1-スイッチよりも酵素全体に大きな影響を与えることが示唆されている。 酵素が活性化しているとき、αN10-スイッチは短いα-helixを持つランダムコイルからなり、このコンフォメーションによってN末端の制御ドメインとC末端の触媒ドメインは弱い相互作用しかできず、酵素は触媒活性を発揮することができる。 このヘリックスは24Åまで伸びることができ、二量体のC末端触媒ドメインを分離している。 この分離により、ドメインの界面積が減少し、残基が入れ替わる。前述のように、これらの変化は酵素の不活性化につながるため、酵素の不活性状態の大きな特徴は、αN10-スイッチが伸びた状態であることである。 αN10スイッチが伸長すると、スイッチが外側に移動し、ペンタエチレングリコールはαN10らせんによって新たに形成された空洞に移動する。 このことは、ペンタエチレングリコールのリガンドは構造だけでなく、制御にも機能しているという考えを裏付けるものである。 塩基性pHでは、この残基は電荷を持たず、触媒的に重要な2つの残基（触媒活性位置から14Åと21Å離れた位置にある）との相互作用は最小である。 この状態では、Lys 261残基とAsp 312残基だけでなく、触媒部位の他の主要な構造部品が分解されているため、酵素は不活性である。 酸性pHではRv1264は活性化し（Optimal pH~5.8）、最大で40倍もの活性を持つようになる。 この酸性pHでは、His 192がプロトン化し、正電荷を帯びる。これにより、αN10-スイッチとα1-スイッチの両方が圧縮され、α4-ヘリックスが収縮し、パラエチレングリコールリガンドが移動するなど、タンパク質全体に大きな構造変化が生じる。 正電荷を持つHis 192はLys 261とAsp 312に静電的に反発し、他の構造変化とともに、それぞれ14Åと21Å、触媒活性位置に移動する。

は、水素結合を通してC-末端-N-末端相互作用に重要な多くの残基を組織化しており、制御にも重要である。 この残基を変異させると、pHに基づく調節が失われ、酵素は常に活性化する。

他の多くの残基もpHによる調節に寄与しており、Rv1264アデニル・サイクラーゼがpHに敏感であるのは、C末端-N末端ドメイン界面の静電相互作用と水素結合に起因するものである。

生物学的役割

M. tuberculosisは病原性細菌であり、そのため、宿主の免疫反応の数々に直面し、駆除を試みている。 結核菌が直面する宿主防御機構のひとつに、ファゴリソソームで遭遇する酸性化がある。 この酸性環境を感知し、適切な反応をすることができれば、結核菌の宿主への感染を大きく助けることができるかもしれない。

アデニルシクラーゼの立体構造

3D アデニルシクラーゼの立体構造