ホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼ

ホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼ
1khb に基づくPDBレンダリング。
識別子
シンボルペプック
ファムPF00821
インタープロIPR008209
プロサイトPDOC00421
SCOP21khf /スコープ/ SUPFAM
利用可能なタンパク質構造:
PDB  1khb ​, 1khe ​, 1khf ​, 1khg ​, 1m51 ​, 1nhx ​, 2gmv ​IPR008209 PF00821 ( ECOD ; PDBsum )  
アルファフォールド
ホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼ1（可溶性）
ホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼ（GTP、細胞質）モノマー、ヒト
識別子
シンボルPCK1
代替記号ペプックC
NCBI遺伝子5105
HGNC8724
オミム261680
参照シーケンスNM_002591
その他のデータ
EC番号4.1.1.32
軌跡20章13節31節
ホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼ2（ミトコンドリア）
識別子
シンボルPCK2
代替記号PEPCK-M、PEPCK2
NCBI遺伝子5106
HGNC8725
オミム261650
参照シーケンスNM_001018073
その他のデータ
EC番号4.1.1.32
軌跡第14章12節

ホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼ（EC 4.1.1.32、PEPCK）は、糖新生の代謝経路で用いられるリアーゼファミリーに属する酵素である。オキサロ酢酸をホスホエノールピルビン酸と二酸化炭素に変換する。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

これには細胞質型とミトコンドリア型の2 つの形態があります。

構造

ヒトにはPEPCKの2つのアイソフォーム、すなわち細胞質型（SwissProt P35558）とミトコンドリア型（SwissProt Q16822）があり、両者の配列相同性は63.4%です。細胞質型は糖新生において重要です。しかし、特定の膜輸送タンパク質を用いてPEPをミトコンドリアから細胞質へ輸送する輸送機構が知られています。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]ミトコンドリア内膜を介したPEP輸送には、ミトコンドリアトリカルボキシレート輸送タンパク質と、それよりは少ない程度にアデニンヌクレオチドキャリアが関与しています。PEP/ピルビン酸トランスポーターの可能性も示唆されています。[ 9 ]

PEPCKのX線構造は、PEPCK酵素活性の構造とメカニズムに関する知見を提供する。ニワトリ肝臓PEPCKミトコンドリアアイソフォームは、Mn 2+、Mn 2+ -ホスホエノールピルビン酸（PEP）、およびMn 2+ -GDPと複合体を形成し、その構造とこの酵素がどのように反応を触媒するかに関する情報を提供する。[ 10 ] Delbaereら（2004）は大腸菌中のPEPCKを分離し、活性部位がC末端ドメインとN末端ドメインの間に位置することを発見した。活性部位はこれらのドメインの回転によって閉じることが観察された。[ 11 ]

PEPCKの作用によりリン酸基が転移するが、これはATPがPEPCKに結合した際のリン酸基の重なり合った構造によって促進されると考えられる。 [ 11 ]

重なり合った構造はエネルギーが高いため、リン酸基の移動は活性化エネルギーが低くなり、基の移動がより容易になります。この移動は、 SN2置換に類似したメカニズムによって起こると考えられます。[ 11 ]

異なる種において

PEPCK 遺伝子の転写は多くの種で起こっており、PEPCK のアミノ酸配列は種ごとに異なります。

例えば、その構造と特異性はヒト、大腸菌（E.coli）、寄生虫トリパノソーマ・クルーズでは異なります。[ 12 ]

機構

PEPCKase はオキサロ酢酸をホスホエノールピルビン酸と二酸化炭素に変換します。

PEPCKは解糖系とクレブス回路の接合部で作用し、 C4分子の脱炭酸反応を引き起こし、C3分子を生成する。糖新生における最初の重要なステップとして、PEPCKはGTPが存在する場合、オキサロ酢酸（OAA）を脱炭酸・リン酸化してPEPに変換する。リン酸が転移されると、反応の結果GDP分子が生成される。[ 10 ]枯草菌の変異体において、通常PEPをピルビン酸に変換する反応を触媒する酵素であるピルビン酸キナーゼがノックアウトされると、PEPCKは置換補充反応の1つに関与し、通常の機能とは逆方向に作用してPEPをOAAに変換する。[ 13 ]この反応は起こり得るが、その速度論は非常に不利であるため、変異体は非常にゆっくりと成長するか、まったく成長しない。[ 13 ]

関数

糖新生

PEPCK-Cは、グルコースが合成されるプロセスである糖新生の不可逆的な段階を触媒します。そのため、この酵素はグルコースの恒常性維持に不可欠であると考えられており、その証拠として、 PEPCK-Cの過剰発現によって2型糖尿病を発症した実験マウスが挙げられます。 [ 14 ]

PEPCK-Cが糖新生において果たす役割はクエン酸回路によって媒介される可能性があり、その活性はPEPCK-Cの量と直接関係していることが判明している。[ 15 ]

これまでの研究で示唆されているように、マウス肝臓におけるPEPCK-Cレベルのみでは糖新生と高い相関関係は見られませんでした。[ 15 ] マウス肝臓はほぼPEPCK-Cのみを発現していますが、ヒトではミトコンドリアアイソザイム（PEPCK-M）も同様に発現しています。PEPCK-Mはそれ自体が糖新生能を有しています。[ 2 ]したがって、PEPCK-CとPEPCK-Mの糖新生における役割は、これまで考えられていたよりも複雑で、より多くの因子が関与している可能性があります。

動物

動物において、これは糖新生（細胞が代謝前駆体からグルコースを合成するプロセス）の律速段階です。血糖値は、PEPCK遺伝子発現の精密な制御により、明確に定義された範囲内に維持されます。血糖恒常性におけるPEPCKの重要性を強調するために、マウスにおけるこの酵素の過剰発現は、ヒトにおける糖尿病の中で圧倒的に最も一般的な形態である2型糖尿病の症状を引き起こします。血糖恒常性の重要性から、肝臓においてグルコース合成速度を調節する 一連の遺伝子（PEPCKを含む）は、いくつかのホルモンによって制御されています。

PEPCK-Cは、2つの異なるホルモン機構によって制御されます。PEPCK-Cの活性は、副腎皮質からのコルチゾールと膵臓のα細胞からのグルカゴンの両方の分泌によって促進されます。グルカゴンは、肝臓におけるcAMPレベル（アデニル酸シクラーゼの活性化を介して）を上昇させることで間接的にPEPCK-Cの発現を亢進させ、結果としてCREBタンパク質のβシート上のS133のリン酸化を引き起こします。その後、CREBはPEPCK-C遺伝子の上流にあるCRE（cAMP応答配列）に結合し、PEPCK-Cの転写を誘導します。一方、コルチゾールは副腎皮質から放出されると、肝細胞の脂質膜を通過し（疎水性であるため細胞膜を直接通過可能）、グルココルチコイド受容体（GR）に結合します。この受容体は二量体化し、コルチゾール/GR 複合体は核に移行し、そこで CREB ​​と同様の方法でグルココルチコイド応答エレメント (GRE) 領域に結合し、同様の結果 (より多くの PEPCK-C の合成) を生み出します。

コルチゾールとグルカゴンは相乗効果を発揮し、コルチゾールとグルカゴンの単独作用では到達できないレベルまでPEPCK-C遺伝子を活性化します。PEPCK-Cは肝臓、腎臓、脂肪組織に最​​も多く存在します。[ 3 ]

米国環境保護庁（EPA）とニューハンプシャー大学の共同研究では、市販のPBDE混合物であるDE-71がPEPCK酵素動態に及ぼす影響を調査し、環境汚染物質の体内での処理は、おそらくプレグナン異物受容体（PXR）の活性化によって肝臓のグルコースと脂質の代謝を損ない、全身のインスリン感受性に影響を及ぼす可能性があると判定しました。[ 16 ]

ケース・ウェスタン・リザーブ大学の研究者らは、マウスの骨格筋における細胞質PEPCKの過剰発現により、マウスが通常のマウスよりも活動的かつ攻撃的になり、寿命が延びることを発見しました。代謝スーパーマウスを参照してください。

植物

PEPCK ( EC 4.1.1.49 ) は、C4およびCAM植物の無機炭素濃縮機構で使われる3つの脱炭酸酵素の1つです。他の3つは、NADP-リンゴ酸酵素とNAD-リンゴ酸酵素です。[ 17 ] [ 18 ] C4炭素固定では、二酸化炭素は最初にホスホエノールピルビン酸と結合して固定され、葉肉でオキサロ酢酸を形成します。PEPCK型C4植物では、オキサロ酢酸は次にアスパラギン酸に変換され、束鞘に運ばれます。束鞘細胞では、アスパラギン酸は再びオキサロ酢酸に変換されます。PEPCKは束鞘のオキサロ酢酸を脱炭酸して二酸化炭素を放出し、次に酵素Rubiscoによって固定されます。PEPCKによって生成された二酸化炭素1分子につき、ATP分子が消費されます。

PEPCKはC4炭素固定を行う植物では細胞質に作用し、その作用は細胞質に限られている。一方、哺乳類ではPEPCKはミトコンドリアで作用することが分かっている。[ 19 ]

植物の様々な部分に存在しますが、師管を含む特定の細胞型にのみ見られます。[ 20 ]

また、キュウリ（Cucumis sativus L.）では、植物の細胞pHを低下させることが知られている複数の効果によってPEPCKレベルが上昇することが発見されているが、これらの効果は植物の部位に特異的である。[ 20 ]

低pHの塩化アンモニウム（高pHではそうではない）または酪酸を植物に散水すると、根と茎のPEPCKレベルは上昇した。しかし、これらの条件下では葉のPEPCKレベルは上昇しなかった。

葉では、大気中のCO2含有量が5％になるとPEPCKの存在量が増加する。 [ 20 ]

細菌

PEPCKの役割を探るべく、研究者らは組み換えDNAを用いて大腸菌内でPEPCKの過剰発現を引き起こした。[ 21 ]

結核菌のPEPCKは、サイトカイン活性を増加させることでマウスの免疫系を活性化することが示されている。[ 22 ]

その結果、PEPCKは結核に対する効果的なサブユニットワクチンの開発に適した成分である可能性があることが判明した。[ 22 ]

臨床的意義

癌における活動

PEPCKは最近まで癌研究において考慮されていませんでした。ヒト腫瘍サンプルおよびヒト癌細胞株（乳癌、大腸癌、肺癌細胞）において、PEPCK-CではなくPEPCK-Mが、代謝において重要な役割を果たすのに十分なレベルで発現していることが示されています。[ 1 ] [ 23 ]したがって、PEPCK-Mは、特に栄養制限やその他のストレス条件下で、癌細胞において何らかの役割を果たす可能性があります。

規制

人間の場合

PEPCK-Cは、その産生と活性化の両面において、多くの因子によって促進される。PEPCK-C遺伝子の転写は、グルカゴン、グルココルチコイド、レチノイン酸、アデノシン3',5'-一リン酸（cAMP ）によって刺激され、インスリンによって阻害される。[ 24 ]これらの因子のうち、1型糖尿病で欠乏するホルモンであるインスリンは、多くの刺激因子の転写を阻害するため、優位であると考えられている。[ 24 ] PEPCK活性は硫酸ヒドラジンによっても阻害され、その結果、糖新生の速度が低下する。[ 25 ]

長期にわたるアシドーシスでは、腎近位尿細管刷子縁細胞におけるPEPCK-Cの上昇により、より多くのNH3が分泌され、より多くのHCO3-が産生される。[ 26 ]

PEPCKのGTP特異的活性は、Mn2 +とMg2 +が利用可能なときに最も高くなります。[ 21 ]さらに、過反応性システイン（C307）は、活性部位へのMn2 +の結合に関与しています。[ 10 ]

植物

前述のように、低pHの塩化アンモニウムで植物に水をやるとPEPCKの量が増加したが、高pHではこの効果は見られなかった。[ 20 ]

分類

EC番号4.1.1に分類されます。反応を駆動するエネルギー源によって、主に3つの種類があります。

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