グリコーゲン脱分岐酵素

AGL
識別子
エイリアス	AGL、GDE、アミロ-α-1,6-グルコシダーゼ、4-α-グルカノトランスフェラーゼ
外部ID	OMIM : 610860; MGI : 1924809; HomoloGene : 536; GeneCards : AGL; OMA : AGL - オーソログ
遺伝子の位置（ヒト） 染色体 1番染色体（ヒト）[1] バンド 1p21.2 開始 99,850,361 bp [1] 終了 99,924,023 bp [1]
遺伝子の位置（マウス） 染色体 3番染色体（マウス）[2] バンド 3|3 G1 開始 116,533,648 bp [2] 終了 116,601,815 bp [2]
RNA発現パターン Bgee ヒト マウス（相同遺伝子） 最もよく発現している 外側広筋 上腕二頭筋 腹直筋の骨格筋組織 上腕二頭筋の骨格筋組織 胸郭横隔膜 舌体 上腕三頭筋 三角筋 臀筋 前脛骨筋 最もよく発現している 大腿筋 上腕三頭筋 外側広筋 胸鎖乳突筋 側頭筋 腓腹筋 腓腹筋内側頭 二腹筋 肋間筋 前脛骨筋 その他の参考発現データ バイオGPS 該当なし
遺伝子オントロジー 分子機能 トランスフェラーゼ活性 グリコシルトランスフェラーゼ活性 グリコシル結合に作用する加水分解酵素活性 タンパク質結合 触媒活性 加水分解酵素活性 4-α-グルカノトランスフェラーゼ活性 アミロ-α-1,6-グルコシダーゼ活性 グリコーゲン脱分岐酵素活性 炭水化物結合 多糖類結合 ポリユビキチン修飾依存性タンパク質結合 β-マルトース4-α-グルカノトランスフェラーゼ活性 細胞成分 細胞質 細胞質ゾル イソアミラーゼ複合体 細胞外領域 分泌顆粒腔 フィコリン1に富む顆粒腔 核 封入体 筋小胞体 生物学的プロセス グリコーゲン生合成過程 グリコーゲン分解過程 代謝 好中球の脱顆粒 グリコーゲン代謝過程 栄養素への反応 ホルモンへの反応 グルココルチコイドへの反応 出典：Amigo / QuickGO
オーソログ 種 ヒト マウス Entrez 178 77559 Ensembl ENSG00000162688 ENSMUSG00000033400 UniProt P35573 該当なし RefSeq (mRNA) NM_000028 NM_000642 NM_000643 NM_000644 NM_000645 NM_000646 NM_001081326 NM_001362367 RefSeq（タンパク質） NP_000019 NP_000633 NP_000634 NP_000635 NP_000637 該当なし 場所（UCSC） 1番目の文字: 99.85～99.92 Mb 3番目の文字: 116.53～116.6 Mb PubMed検索 [3] [4]
ウィキデータ
ヒトの表示/編集 マウスの表示/編集

ヒトにおけるグリコーゲン脱分岐酵素は、AGL遺伝子 によってコードされるタンパク質である。^[5]この酵素は、体内でグルコースを貯蔵するグリコーゲンの分解に不可欠であり、グルコシルトランスフェラーゼ活性とグルコシダーゼ活性をそれぞれ独立して有する。^{[6] [7]}

この酵素はホスホリラーゼと連携して、筋肉や肝臓に蓄積されたグリコーゲンからグルコースを動員します。これはほとんどの生物にとって主要なエネルギー源です。グリコーゲンの分解は、血糖値の恒常性維持のため、特に肝臓においてインスリンやグルカゴンなどの様々なホルモンによって厳密に制御されています。 ^{[8]グリコーゲンデブランチング酵素の変異によってグリコーゲンの分解が阻害されると、}グリコーゲン貯蔵疾患III型などの代謝性疾患を引き起こす可能性があります。^{[6] [7]}

グリコーゲン分解の2段階、グルコシルトランスフェラーゼとグルコシダーゼは、哺乳類、酵母、一部の細菌では単一の酵素によって行われるが、大腸菌などの細菌では2つの異なる酵素によって行われるため、命名法が複雑になる。両方の機能を触媒するタンパク質は、グリコーゲンデブランチング酵素（GDE）と呼ばれる。グルコシルトランスフェラーゼとグルコシダーゼが別々の酵素によって触媒される場合、グリコーゲンデブランチング酵素は通常、グルコシダーゼ酵素を指す。一部の文献では、グルコシダーゼのみの酵素をデブランチング酵素と呼ぶことがある。^[9]

機能

グリコーゲン脱分岐酵素は、ホスホリラーゼとともに、グリコーゲンの分解とグルコースの動員に機能します。ホスホリラーゼがグリコーゲンの分岐を4つのグルコース残基まで分解すると、それ以上の残基は除去しません。グリコーゲン脱分岐酵素は、グリコーゲン分解に関与する主要酵素であるホスホリラーゼによるグリコーゲン貯蔵の動員を支援します。ホスホリラーゼは、グリコーゲン中の隣接するグルコース分子間のα-1,4-グリコシド結合のみを切断できますが、分岐はα-1,6結合としても存在します。ホスホリラーゼは分岐点から4つの残基に達すると切断を停止します。10残基のうち1残基は分岐しているため、ホスホリラーゼによる切断だけではグリコーゲン貯蔵の動員には不十分です。^{[10] [11]}ホスホリラーゼが異化を再開する前に、脱分岐酵素は2つの機能を実行します

• 4-α-D-グルカノトランスフェラーゼ（EC 2.4.1.25）、またはグルコシルトランスフェラーゼは、4残基グリコーゲン分岐から3つのグルコース残基を近くの分岐に転移する。これにより、α-1,6グリコシド結合を介してグルコース鎖に結合した1つのグルコース残基が露出する^[10]。

• 

  アルファ-1,6結合の切断のメカニズム。

  アミロ-α-1,6-グルコシダーゼ（EC 3.2.1.33）、またはグルコシダーゼは、残りのα-1,6結合を切断し、グルコースとグリコーゲンの直鎖を生成します。^[10]グルコシダーゼがα-1,6結合を切断するメカニズムは、活性部位のアミノ酸がまだ特定されていないため、完全には解明されていません。この反応は、オキソカルベニウムイオン中間体とグルコースの立体配置の保持を伴う、酸塩基補助型の2段階機構を経て進行すると考えられています。^{[12]これは結合を切断する一般的な方法であり、}加水分解部位の下部に酸を作用させてプロトンを供給し、その上部に塩基を作用させて水を脱プロトン化することで、求核剤として作用します。これらの酸と塩基は、酵素の活性部位のアミノ酸側鎖です。このメカニズムの模式図を図に示します。^[13]

したがって、脱分岐酵素、トランスフェラーゼ、および α-1,6-グルコシダーゼは、分岐したグリコーゲン構造を直線状のものに変換し、ホスホリラーゼによるさらなる切断を可能にします。

4-α-グルカノトランスフェラーゼ 識別子 EC番号 2.4.1.25 CAS番号 9032-09-1 データベース IntEnz IntEnzビュー ブレンダ ブレンダエントリー エクスパス ナイスザイムビュー ケッグ KEGGエントリー メタサイク 代謝経路 プリアム プロファイル PDB構造 RCSB PDB PDBe PDBsum 遺伝子オントロジー AmiGO / QuickGO 検索 PMC 記事 PubMed 記事 NCBI タンパク質

アミロ-α-1,6-グルコシダーゼ 識別子 EC番号 3.2.1.33 CAS番号 9012-47-9 データベース IntEnz IntEnzビュー ブレンダ ブレンダエントリー エクスパス ナイスザイムビュー ケッグ KEGGエントリー メタサイク 代謝経路 プリアム プロファイル PDB構造 RCSB PDB PDBe PDBsum 遺伝子オントロジー AmiGO / QuickGO 検索 PMC 記事 PubMed 記事 NCBI タンパク質

構造と活性

2つの酵素

大腸菌などの細菌では、グルコシルトランスフェラーゼとグルコシダーゼの機能はそれぞれ異なるタンパク質によって担われています。大腸菌では、グルコースの転移は4-α-グルカノトランスフェラーゼによって行われ、これは分子量78.5 kDaのタンパク質で、遺伝子malQによってコードされています。^[14]もう1つのタンパク質はデブランチング酵素と呼ばれ、α-1,6-グルコースの切断を行います。この酵素は分子量73.6 kDaで、遺伝子glgXによってコードされています。^[15] 2つの酵素の活性は必ずしも連動しているわけではありません。大腸菌では、glgXはグルカノトランスフェラーゼの作用なしに、4サブユニットの分岐を選択的に切断します。この切断産物であるマルトテトラオースは、マルトデキストリンホスホリラーゼによってさらに分解されます。^{[6] [16]}

大腸菌GlgXは、タンパク質イソアミラーゼと構造的に類似しています。この単量体タンパク質は、8本の平行β鎖が8本の平行α鎖に囲まれた中央ドメインを有しています。この構造において注目すべきは、長さ26オングストローム、幅9オングストロームの溝で、この溝には4つのグルコース鎖を切断前に安定化させると考えられている芳香族残基が含まれています。^[6]

古細菌 Sulfolobus solfataricusのグリコーゲン分解酵素treXは、単一の活性部位をアミロシダーゼ活性とグルカノトランスフェラーゼ活性という2つの活性に利用する興味深い例である。TreXはglgXと構造的に類似しており、80kDの分子量と1つの活性部位を有する。^{[9] [17]}しかし、どちらのglgXとも異なり、treXは溶液中で二量体および四量体として存在する。TreXのオリゴマー形態は、酵素の形状と機能の両方を変化させる上で重要な役割を果たしていると考えられる。二量体化は、活性部位近傍に位置する「柔軟なループ」を安定化させると考えられている。これが、treX（glgXではなく）がグルコシルトランスフェラーゼ活性を示す理由を説明する鍵となる可能性がある。四量体として存在するtreXの触媒効率は、二量体形態の4倍に増加する。^{[6] [18]}

2つの触媒部位を持つ1つの酵素

哺乳類と酵母では、単一の酵素が両方の分岐機能を担っている。^[19]ヒトグリコーゲン分岐酵素（遺伝子：AGL）は、分子量175 kDaのモノマーである。AGLの2つの触媒作用は互いに独立して機能することが示されており、複数の活性部位が存在することが示唆されている。この考えは、ポリヒドロキシアミンなどの活性部位阻害剤によって強化されており、これらの阻害剤はグルコシダーゼ活性を阻害する一方で、トランスフェラーゼ活性には測定可能な変化が見られなかった。^[20]グリコーゲン分岐酵素は、複数の触媒部位を持ち、モノマーとして活性を示す唯一の真核生物酵素である。^{[21] [22]}

いくつかの研究では、酵母GDEのC末端側半分はグルコシダーゼ活性に、N末端側半分はグルコシルトランスフェラーゼ活性に関係していることが示されています。^{[19]これらの2つの}活性部位に加えて、AGLにはグリコーゲンポリマーへの結合を可能にする3つ目の活性部位が含まれているようです。^[23]下の図に示すように、活性部位内の7つのサブユニットに対応する、鎖状のグルコース分子6つと分岐グルコースに結合すると考えられています。^[24]

仮定された側鎖結合部位

Candida glabrata由来のGDEの構造が報告されている^[25] 。構造解析により、GDEにはグルカノトランスフェラーゼ活性とグルコシダーゼ活性をコードする異なるドメインが存在することが明らかになった。これらの触媒作用は、それぞれα-アミラーゼおよびグルコアミラーゼの触媒作用に類似している。これらの活性部位はそれぞれの基質に対して選択的であり、GDEの適切な活性化を保証する。活性部位に加えて、GDEはグリコーゲンへのリクルートメントに重要なグリコーゲン結合部位も有する。疾患原因となる変異をGDE構造上にマッピングすることで、グリコーゲン貯蔵病III型に関する知見が得られた。

遺伝的位置

この遺伝子の正式名称は「アミロ-α-1,6-グルコシダーゼ、4-α-グルカノトランスフェラーゼ」で、正式記号はAGLです。AGLは染色体1p21に存在する常染色体遺伝子です。^[11] AGL遺伝子は、グリコーゲンデブランチング酵素のアイソフォームと呼ばれる複数の異なるバージョンを産生するための指示を提供します。これらのアイソフォームはサイズが異なり、肝臓や筋肉など、様々な組織で発現します。この遺伝子の変異がグリコーゲン貯蔵病III型の原因となるため、この遺伝子は詳細に研究されています。^[5] この遺伝子は85kbの長さで、35のエクソンを持ち、7.0kbのmRNAをコードします。この遺伝子の翻訳はエクソン3から始まり、エクソン3はAGL遺伝子の最初の27アミノ酸をコードします。これは、最初の2つのエクソン（68kb）が5'非翻訳領域を含むためです。エクソン4～35は、AGL遺伝子の残りの1505個のアミノ酸をコードしています。^[7] デューク大学小児科の研究によると、ヒトAGL遺伝子には少なくとも2つのプロモーター領域（遺伝子の転写開始部位）が含まれており、これにより、異なる組織に特異的な方法で、同じタンパク質の異なる形態であるアイソフォームmRNAの異なる発現が生じることが示唆されています。^{[23] [26]}

臨床的意義

GDE活性が低下すると、体は貯蔵されたグリコーゲンを効果的に放出できなくなり、常染色体劣性疾患であるIII型グリコーゲン貯蔵病（デブランチャー欠損症）を引き起こす可能性があります。GSD IIIでは、グリコーゲンの分解が不完全で、外側の枝が短い異常なグリコーゲンが蓄積します。^[27]

ほとんどの患者は肝臓と筋肉の両方でGDE欠損（タイプIIIa）を示しますが、15%の患者は肝臓ではGDEが欠損しているものの、筋肉ではGDEが残存しています（タイプIIIb）。^[11] AGL遺伝子の変異部位に応じて、異なる変異が遺伝子発現の異なるアイソフォームに影響を与える可能性があります。例えば、エクソン3に発生する変異は、主に肝臓で発現するアイソフォームに影響を与え、これがGSDタイプIIIにつながります。^[28]

これらの異なる症状発現は多様な症状を引き起こし、肝腫大、小児の低血糖、低身長、ミオパチー、心筋症など、I型GSDとほぼ区別がつかない場合がある。^{[7] [29]} IIIa型患者は、発症年齢、病気の進行速度、重症度によって症状は異なるが、肝疾患や進行性の筋肉障害に関連した症状を示すことが多い。IIIb型患者は一般的に肝疾患に関連した症状を示す。^{[30] III型患者は、他の型のGSDとは異なり、肝酵素の上昇、}尿酸値および血中乳酸値が正常であることで区別できる。^[28]筋肉障害を伴うIIIa型患者では、筋力低下が成人期まで優勢となり、心室肥大や遠位筋萎縮につながる可能性がある。^[28]

参考文献

1. GRCh38: Ensemblリリース89: ENSG00000162688 – Ensembl、2017年5月
2. GRCm38: Ensemblリリース89: ENSMUSG00000033400 – Ensembl、2017年5月
3. 「Human PubMed Reference:」。米国国立医学図書館、国立生物工学情報センター。
4. 「マウスPubMedリファレンス：」。米国国立医学図書館、国立生物工学情報センター。
5. 「Genes (Genetic Home Reference、米国国立医学図書館のサービス)」 。 2012年2月29日閲覧。
6. Song HN, Jung TY, Park JT, Park BC, Myung PK, Boos W, et al. (2010年6月). 「グリコーゲン脱分岐酵素GlgXの短鎖基質特異性の構造的根拠」. Proteins . 78 (8): 1847– 1855. doi :10.1002/prot.22697. PMID  20187119. S2CID  28334066.
7. Bao Y, Dawson TL, Chen YT (1996年12月). 「ヒトグリコーゲン脱分岐酵素遺伝子（AGL）：5'末端領域の完全な構造と特徴づけ」. Genomics . 38 (2): 155– 165. doi :10.1006/geno.1996.0611. PMID  8954797.
8. Hers HG, Verhue W, Van hoof F (1967年10月). 「アミロ-1,6-グルコシダーゼの測定」. European Journal of Biochemistry . 2 (3): 257– 264. doi :10.1111/j.1432-1033.1967.tb00133.x. PMID  6078537.
9. Woo EJ, Lee S, Cha H, Park JT, Yoon SM, Song HN, 他 (2008年10月). 「古細菌Sulfolobus solfataricus由来のグリコーゲン脱分岐酵素TreXの二機能性メカニズムの構造的知見」The Journal of Biological Chemistry . 283 (42): 28641– 28648. doi : 10.1074/jbc.M802560200 . PMC 2661413 . PMID  18703518. 
10. Stryer L、Berg JM、Tymoczko JL (2007)。生化学(第 6 版)。サンフランシスコ：WHフリーマン。ISBN 978-0-7167-8724-2。
11. 本堂 浩、佐分 渉、森 浩、奥山 正治、中田 剛、松浦 雄一、他 (2008年5月). 「Streptococcus mutans由来のα-1,6-グルコシド結合加水分解酵素デキストラングルコシダーゼの基質認識機構」. Journal of Molecular Biology . 378 (4): 913– 922. doi :10.1016/j.jmb.2008.03.016. PMID  18395742
12. 千葉 誠 (1997年8月). 「α-グルコシダーゼとグルコアミラーゼの分子メカニズム」.バイオサイエンス、バイオテクノロジー、生化学. 61 (8): 1233–1239 . doi : 10.1271/bbb.61.1233 . PMID  9301101.
13. , Withers SG (1994年12月). 「酵素によるグリコシド加水分解のメカニズム」Current Opinion in Structural Biology 4 (6): 885– 892. doi :10.1016/0959-440X(94)90271-2. PMID  7712292.
14. 「4-α-グルカノトランスフェラーゼ - 大腸菌（K12株）」。
15. 「グリコーゲン脱分岐酵素 - 大腸菌O139:H28（E24377A株 / ETEC）」UniProt.
16. Dauvillee D、Kinderf IS、Li Z、Kosar-Hashemi B、Samuel MS、Rampling L、他。 (2005 年 2 月)。 「グリコーゲン代謝における大腸菌 glgX 遺伝子の役割」。細菌学ジャーナル。187 (4): 1465–1473。土井:10.1128/JB.187.4.1465-1473.2005。PMC 545640。PMID  15687211。 
17. 「TreX - Actinoplanes sp. SN223/29」. UniProt.
18. Park JT, Park HS, Kang HK, Hong JS, Cha H, Woo EJ, et al. (2008). 「古細菌Sulfobus solfataricus P2由来の脱分岐酵素（TreX）のオリゴマーおよび機能特性」.生体触媒および生体変換. 26 ( 1–2 ): 76– 85. doi :10.1080/10242420701806652. S2CID  83831481.
19. Nakayama A, Yamamoto K, Tabata S (2001年8月). 「二機能性グリコーゲンデブランチング酵素の触媒残基の同定」. The Journal of Biological Chemistry . 276 (31): 28824– 28828. doi : 10.1074/jbc.M102192200 . PMID  11375985.
20. Gillard BK, White RC, Zingaro RA, Nelson TE (1980年9月). 「アミロ-1,6-グルコシダーゼ/4-α-グルカノトランスフェラーゼ. ウサギ筋デブランチング酵素と活性部位特異的不可逆阻害剤1-S-ジメチルアルシノ-1-チオ-β-D-グルコピラノシドとの反応」. The Journal of Biological Chemistry . 255 (18): 8451– 8457. doi : 10.1016/S0021-9258(18)43517-X . PMID  6447697.
21. Chen YT, He JK, Ding JH, Brown BI (1987年12月). 「グリコーゲンデブランチング酵素：精製、抗体による特性評価、およびIII型グリコーゲン貯蔵病の免疫ブロット解析」. American Journal of Human Genetics . 41 (6): 1002– 1015. PMC 1684360. PMID  2961257 . 
22. 「グリコーゲン脱分岐酵素 - ホモサピエンス（ヒト）」UniProt.
23. Gillard BK, Nelson TE (1977年9月). 「アミロ-1,6-グルコシダーゼ/4-α-グルカノトランスフェラーゼ：ウサギ筋脱分岐酵素の結合部位と活性部位の研究における可逆的基質モデル阻害剤の使用」.生化学. 16 (18): 3978– 3987. doi :10.1021/bi00637a007. PMID  269742.
24. 山本 栄, 牧野 雄一, 大道 健 (2007年5月). 「蛍光性6-O-α-グルコシルマルトオリゴ糖を用いた豚肝グリコーゲン脱分岐酵素におけるアミロ-α-1,6-グルコシダーゼの活性部位マッピング」. Journal of Biochemistry . 141 (5): 627– 634. doi : 10.1093/jb/mvm065 . PMID  17317688.
25. Zhai L, Feng L, Xia L, Yin H, Xiang S (2016年4月). 「グリコーゲン脱分岐酵素の結晶構造とその触媒作用および疾患原因変異に関する知見」. Nature Communications . 7 11229. Bibcode :2016NatCo...711229Z. doi :10.1038/ncomms11229. PMC 4837477. PMID 27088557  . 
26. Ding JH, de Barsy T, Brown BI, Coleman RA, Chen YT (1990年1月). 「グリコーゲン貯蔵病III型の異なるサブタイプにおけるグリコーゲン脱分岐酵素の免疫ブロット解析」. The Journal of Pediatrics . 116 (1): 95– 100. doi :10.1016/S0022-3476(05)81652-X. PMID  2295969.
27. Monga SP (2010).肝疾患の分子病理学（分子病理学ライブラリー） . ベルリン: Springer. ISBN 978-1-4419-7106-7。
28. Shen J, Bao Y, Liu HM, Lee P, Leonard JV, Chen YT (1996年7月). 「グリコーゲン脱分岐酵素遺伝子のエクソン3の変異は、肝臓と筋肉で異なる発現を示すグリコーゲン貯蔵疾患III型と関連している」The Journal of Clinical Investigation . 98 (2): 352– 357. doi :10.1172/JCI118799 . PMC 507437. PMID  8755644 
29. Talente GM, Coleman RA, Alter C, Baker L, Brown BI, Cannon RA, et al. (1994年2月). 「成人におけるグリコーゲン貯蔵疾患」. Annals of Internal Medicine . 120 (3): 218– 226. doi :10.7326/0003-4819-120-3-199402010-00008. PMID  8273986. S2CID  24896145.
30. Kishnani PS, Austin SL, Arn P, Bali DS, Boney A, Case LE, et al. (2010年7月). 「グリコーゲン貯蔵疾患III型の診断と管理ガイドライン」. Genetics in Medicine . 12 (7): 446– 463. doi : 10.1097/GIM.0b013e3181e655b6 . PMID  20631546.

外部リンク

• GeneReviews/NCBI/NIH/UW のグリコーゲン貯蔵疾患 III 型に関するエントリ
• グリコーゲン貯蔵疾患III型に関するOMIMのエントリ
• 米国国立医学図書館の医学主題標目表（MeSH）におけるグリコーゲン+脱分岐+酵素