元論文：Binding of NAD+ and l-Threonine Induces Stepwise Structural and Flexibility Changes in Cupriavidus necator l-Threonine Dehydrogenase*

柔軟性について

Cupriavidus necator由来短鎖デヒドロゲナーゼ様l-スレオニンデヒドロゲナーゼ（CnThrDH）のアポ型とホロ型の結晶構造をそれぞれ2.25Aと2.5Aで決定しました。アポ型とホロ型の構造比較から、NAD+もl-Thrも結合していないとき、CnThrDHの4つの領域（38-59残基、77-87残基、180-186残基、触媒ドメイン）が柔軟なコンフォメーションをとることがわかっています。50ナノ秒の時間スケールで分子動力学シミュレーションを行った結果、NAD+がCnThrDHに結合しているとき、これらの領域のうち3つ（残基80-87、残基180-186、触媒ドメイン）が柔軟性を保っていることがわかったのです。

構造体

分子動力学シミュレーションでは、CnThrDHの構造がNAD+の結合によって閉じた形から開いた形に変化することも示され、開口型で新たに形成された裂け目は、基質の侵入と生成物の排出のための導管として機能している可能性があります。これらの計算結果から、CnThrDHの反応は閉じた形と開いた形の間で切り替わりながら進行するという仮説が導かれました。L80G、G184A、T186N変異体の酵素動力学パラメータもこの予測を支持した：変異体のkcat/Km, l-Thr値は野生型のそれよりも330倍以上低かったのです；

部分的には有効

これらの結果は、NAD+とl-Thrの結合によってCnThrDHで起こる柔軟性と構造の段階的変化の模式的モデルに要約されます。これは、短鎖デヒドロゲナーゼ様l-スレオニンデヒドロゲナーゼの動的構造変化が、酵素の反応性と特異性に重要であることを示しているのです。

NMNに期待

l-スレオニン3-デヒドロゲナーゼ(EC 1.1.1.103, l-ThrDH)2は細菌から哺乳動物まで幅広い生物種で発現しています(1.)。l-ThrDHは酸化されたNAD+を補酵素として利用し、l-Thrの3′炭素原子の脱水素反応を触媒します。

さまざまな分類

生成物である2-アミノ-3-ケト酪酸は、アミノアセトンとCO2に速やかに分解されるか(2.)、2-アミノ-3-ケト酪酸CoAリガーゼによってグリシンに変換される(3.)。2種類のl-ThrDH酵素の構造が報告されています。1つは中鎖デヒドロゲナーゼ/レダクターゼ(MDR)スーパーファミリーに分類されるもので、アルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)に似ています(3, 4.)。MDRは約350アミノ酸残基を持ち、C末端領域にRossmann foldドメインを持つ(5.)。MDRファミリーメンバーの機能は多様であり(6.)、このタイプのl-ThrDHはADHと同様に亜鉛依存性MDRに分類されることがわかりました

生化学的な根拠

このタイプのl-ThrDHについてはいくつかの生化学的および構造的研究がなされている(3., 7., 8., 9.10.)。もう一つのタイプは拡張型短鎖デヒドロゲナーゼ/レダクターゼ（SDR）に分類され(4.)、UDP-ガラクトース4-エピメラーゼ(GalE)に似ています。SDRファミリーのメンバーは、N末端領域にロスマンフォールドドメインを持っているのです。

NMNで改善

初期の研究から、SDRは 「classic 」と 「extended 」のサブタイプに分類できることが明らかになっており、前者は約250アミノ酸残基を持ち、後者はC末端領域に約100アミノ酸残基を持つ(4.)。多くのSDRはTyrベースの触媒中心を持つ(4.)。本報告では、前者および後者のl-ThrDHをそれぞれ「ADH-like l-ThrDH」および「SDR-like l-ThrDH」と呼びます。ここでは、Cupriavidus necator 由来の SDR-like l-ThrDH (CnThrDH)の構造的・機能的特性について解析した結果を述べていきます