このページはRCSBの David S. Goodsell博士による「Molecule of the Month」2002年10月の記事を日本語に訳したものです。転載・引用については利用規約をご覧下さい。
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:翻訳 工藤高裕 (PDBj)
ジヒドロ葉酸還元酵素(PDB:7dfr)

ジヒドロ葉酸還元酵素(dihydrofolate Reductase)は、DNA構築などの過程において補助的ではあるが不可欠な役割を果たす小さな酵素である。この酵素の役割は葉酸(folate)の状態管理で、葉酸は反応中に炭素原子を必要とする酵素へ炭素原子を運ぶ長い鎖状の有機分子である。炭素を渡す相手として特に重要なのは、チミジル酸合成酵素(thymidylate synthase、チミジン1リン酸合成酵素)で、これはDNAにとって不可欠な構成要素であるチミン塩基(thymine base)を作るのに炭素原子を使う。葉酸が炭素原子を放出した後は再利用されるが、その仕事はこのジヒドロ葉酸還元酵素によって行われる。

タンパク質の道具

ここに示したジヒドロ葉酸還元酵素(PDBエントリー 7dfr )は2つの比較的大きな分子を反応中に取り扱う。この酵素は長い溝を持っており、その一端には葉酸(赤紫色の部分)が、もう一方の端にはNADPH(緑色の部分)が結合する。ご覧の通り、タンパク質は側鎖で2つの分子がしっかり隣り合うよう包み込む。そして酵素は水素原子をNADPHから葉酸へと転移させ、葉酸を有用な還元型へと変換する。

がんと戦う際の標的

薬剤治療において、不可欠な役割を果たす酵素を標的にすると効果が現れやすい。ジヒドロ葉酸還元酵素は最初にがん化学療法の標的となった酵素で、この時抗がん剤として最初に用いられた薬がアミノプテリン(aminopterin)である。これは葉酸の数千倍の強さでジヒドロ葉酸還元酵素と結合し、酵素の作用を阻害する。今日では、より強く結合し臨床的特性も良いメトトレキサート(methotrexate)やその誘導体がアミノプテリンの代わりに用いられている。これら薬剤はDNA産生の重要な段階を攻撃するので、増殖していない細胞よりは活発に増殖している細胞を殺す傾向にある。がん細胞は患者の体内で最も急速に増殖している細胞となっていることが多いため、薬剤は体内の細胞の中でがん細胞に対して最も強い効果を示す。ただ、毛包(hair follicle)や胃の裏層(lining of the stomach)といった正常に増殖している組織に対しても薬剤が作用することにより、化学療法の副作用が起きてしまう。

違いを利用する

細菌のジヒドロ葉酸還元酵素(左、PDB:3dfr)とヒトのジヒドロ葉酸還元酵素(右、PDB:1dls)

ジヒドロ葉酸還元酵素は全ての生物で用いられる酵素であるが、生物にごとに使われている酵素の形は少しずつ違っている。生命進化の過程において、ジヒドロ葉酸還元酵素の設計はゆっくりと変異し、少しずつ形を変化させてきたが、不可欠な機能は維持し続けてきた。その結果、細菌のジヒドロ葉酸還元酵素(上図左、PDBエントリー 3dfr )は、我々の細胞が持つもの(上図右、PDBエントリー 1dls )よりも小さく、よりスリム化されたものになった。構造を見れば分かるように、どちらも同じようにNADPH(緑色の部分)と薬のメトトレキサート(赤紫色の部分)が結合している。ところが、両者の間には違う点もあり、それを利用して薬剤開発がすすめられてきた。例えば、トリメトプリム(trimethoprim)という薬は細菌のジヒドロ葉酸還元酵素に約3万倍も強く結合する。そのため、この薬は抗生物質薬として効果的である。トリメトプリムを少量投与するだけで細菌のジヒドロ葉酸還元酵素は攻撃されるが、我々の細胞が持つジヒドロ葉酸還元酵素は比較的影響を受けなくて済む。

構造をみる

葉酸(左、PDB:7dfr)とメトトレキサート(右、PDB:3dfr)

薬のメトトレキサートは葉酸分子をまねて設計されているので、酵素の活性部位に結合して酵素の活動を阻害する。メトトレキサートは葉酸とほぼ同じ大きさで、似た化学的構造を持っている。上図に示した初期に解かれた結晶構造(PDBエントリー 7dfr3dfr )で、この薬は実のところ葉酸と似ており、非常に似た場所に結合することが確かめられた。この図で、NADPH中の炭素原子は緑で、薬分子中の炭素原子は白で示されている。ヌクレオチドの下端にあるニコチンアミド環が、どのようにしてメトトレキサートや葉酸の平らな環に対してきっちり詰め込まれているのかに注目して欲しい。化学反応が行われる間、水素原子(残念ながら結晶構造では見えていない)はニコチンアミドからこの大きく平らな環へと移されている。

ジヒドロ葉酸還元酵素は長年重点的研究の的となってきたので、現在では様々な基質や薬剤と結合した構造がPDBに登録されている。これらの構造を見る際、この小さいが重要な酵素の働きを阻害するのに様々な手法が使われていることに注目して欲しい。

2002年10月時点でPDBに登録されていたジヒドロ葉酸還元酵素の構造一覧をこちらのリストに掲載しています。

2002年10月にPDBに登録されていたジヒドロ葉酸還元酵素の構造一覧
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PDB ID Title Authors Publication Year Journal Name Volume No First Page Pubmed ID
1ai9 X-ray crystallographic studies of Candida albicans dihydrofolate reductase. High resolution structures of the holoenzyme and an inhibited ternary complex. M.Whitlow, A.J.Howard, D.Stewart, K.D.Hardman, L.F.Kuyper, D.P.Baccanari, M.E.Fling, R.L.Tansik 1997 J. Biol. Chem. 272 30289 9374515
1aoe
1ao8 The solution structure of the complex of Lactobacillus casei dihydrofolate reductase with methotrexate. A.R.Gargaro, A.Soteriou, T.A.Frenkiel, C.J.Bauer, B.Birdsall, V.I.Polshakov, I.L.Barsukov, G.C.Roberts, J.Feeney 1998 J. Mol. Biol. 277 119 9514736
1boz Structure-Based Design and Synthesis of Lipophilic 2,4-Diamino-6-Substituted Quinazolines and Their Evaluation as Inhibitors of Dihydrofolate Reductases and Potential Antitumor Agents A.Gangjee, A.P.Vidwans, A.Vasudevan, S.F.Queener, R.L.Kisliuk, V.Cody, R.Li, N.Galitsky, J.R.Luft, W.Pangborn 1998 J. Med. Chem. 41 3426 9719595
1bzf Structure and dynamics in solution of the complex of Lactobacillus casei dihydrofolate reductase with the new lipophilic antifolate drug trimetrexate. V.I.Polshakov, B.Birdsall, T.A.Frenkiel, A.R.Gargaro, J.Feeney 1999 Protein Sci. 8 467 10091649
1cd2 Ligand-Induced Conformational Changes in the Crystal Structures of Pneumocystis Carinii Dihydrofolate Reductase Complexes with Folate and Nadp+ V.Cody, N.Galitsky, D.Rak, J.R.Luft, W.Pangborn, S.F.Queener 1999 Biochemistry 38 4303 10194348
2cd2
3cd2
4cd2
1cz3 The Crystal Structure of Dihydrofolate Reductase from Thermotoga Maritima: Molecular Features of Thermostability T.Dams, G.Auerbach, G.Bader, U.Jacob, T.Ploom, R.Huber, R.Jaenicke 2000 J. Mol. Biol. 297 659 10731419
1d1g
1vj3 Structural Studies on Bioactive Compounds. 30. Crystal Structure and Molecular Modeling Studies on the Pneumocystis Carinii Dihydrofolate Reductase Cofactor Complex with Tab, a Highly Selective Antifolate V.Cody, D.Chan, N.Galitsky, D.Rak, J.R.Luft, W.Pangborn, S.F.Queener, C.A.Laughton, M.F.Stevens 2000 Biochemistry 39 3556 10736154
1daj Comparison of ternary complexes of Pneumocystis carinii and wild-type human dihydrofolate reductase with coenzyme NADPH and a novel classical antitumor furo[2,3-d]pyrimidine antifolate. V.Cody, N.Galitsky, J.R.Luft, W.Pangborn, A.Gangjee, R.Devraj, S.F.Queener, R.L.Blakley 1997 Acta Crystallogr., Sect.D 53 638 15299851
1ddr The effect of denaturants on protein structure. H.P.Yennawar, G.K.Farber 1997 Protein Sci. 6 1727 9260285
1dds
1df7 Three-Dimensional Structure of M. Tuberculosis Dihydrofolate Reductase Reveals Opportunities for the Design of Novel Tuberculosis Drugs R.Li, R.Sirawaraporn, P.Chitnumsub, W.Sirawaraporn, J.Wooden, F.Athappilly, S.Turley, W.G.Hol 2000 J. Mol. Biol. 295 307 10623528
1dg5
1dg7
1dg8
1dhf Crystal structures of recombinant human dihydrofolate reductase complexed with folate and 5-deazafolate. .2.Davies 2d, T.J.Delcamp, N.J.Prendergast, V.A.Ashford, J.H.Freisheim, J.Kraut 1990 Biochemistry 29 9467 2248959
2dhf
1dhi Long-range structural effects in a second-site revertant of a mutant dihydrofolate reductase. K.A.Brown, E.E.Howell, J.Kraut 1993 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90 11753 8265622
1dhj
1dis Solution structure of a brodimoprim analogue in its complex with Lactobacillus casei dihydrofolate reductase. W.D.Morgan, B.Birdsall, V.I.Polshakov, D.Sali, I.Kompis, J.Feeney 1995 Biochemistry 34 11690 7547901
1diu
1dlr Methotrexate-resistant variants of human dihydrofolate reductase with substitutions of leucine 22. Kinetics, crystallography, and potential as selectable markers. W.S.Lewis, V.Cody, N.Galitsky, J.R.Luft, W.Pangborn, S.K.Chunduru, H.T.Spencer, J.R.Appleman, R.L.Blakley 1995 J. Biol. Chem. 270 5057 7890613
1dls
1dr1 Crystal structure of chicken liver dihydrofolate reductase complexed with NADP+ and biopterin. M.A.McTigue, J.F.Davies 2d., B.T.Kaufman, J.Kraut 1992 Biochemistry 31 7264 1510919
1dr2 Crystal structures of chicken liver dihydrofolate reductase: binary thioNADP+ and ternary thioNADP+.biopterin complexes. M.A.McTigue, J.F.Davies 2d., B.T.Kaufman, J.Kraut 1993 Biochemistry 32 6855 8334118
1dr3
1dr4 Crystal Structures of Organomercurial-Activated Chicken Liver Dihydrofolate Reductase Complexes M.A.Mctigue, J.F.Davies II, B.T.Kaufman, N.-H.Xuong, J.Kraut n/a To be Published n/a n/a n/a
1dr5
1dr6
1dr7
1dra Crystal structure of unliganded Escherichia coli dihydrofolate reductase. Ligand-induced conformational changes and cooperativity in binding. C.Bystroff, J.Kraut 1991 Biochemistry 30 2227 1998681
1drb
5dfr
1dre Loop and subdomain movements in the mechanism of Escherichia coli dihydrofolate reductase: crystallographic evidence. M.R.Sawaya, J.Kraut 1997 Biochemistry 36 586 9012674
1ra1
1ra2
1ra3
1ra8
1ra9
1rb2
1rb3
1rc4
1rd7
1re7
1rf7
1rg7
1rh3
1rx1
1rx2
1rx3
1rx4
1rx5
1rx6
1rx7
1rx8
1rx9
1drf Crystal structure of human dihydrofolate reductase complexed with folate. C.Oefner, A.D'Arcy, F.K.Winkler 1988 Eur J Biochem 174 377 3383852
1drh Isomorphous crystal structures of Escherichia coli dihydrofolate reductase complexed with folate, 5-deazafolate, and 5,10-dideazatetrahydrofolate: mechanistic implications. V.M.Reyes, M.R.Sawaya, K.A.Brown, J.Kraut 1995 Biochemistry 34 2710 7873554
1dyh
1dyi
1dyj
1dyr The structure of Pneumocystis carinii dihydrofolate reductase to 1.9 A resolution. J.N.Champness, A.Achari, S.P.Ballantine, P.K.Bryant, C.J.Delves, D.K.Stammers 1994 Structure 2 915 7866743
1e26 Ligand Induced Conformational Changes in the Crystal Structure of Pneumocystis Carinii Dihydrofolate Reductase Complex with Folate and Nadp+ V.Cody, N.Galitsky, D.Rak, J.R.Luft, W.Pangborn, S.F.Queener 1999 Biochemistry 38 4303 10194348
1e7w Pteridine Reductase Mechanism Correlates Pterin Metabolism with Drug Resistance in Trypanosomatid Parasites. D.Gourley, A.Schuttelkopf, G.Leonard, J.Luba, L.Hardy, S.Beverley, W.Hunter 2001 Nat. Struct. Biol. 8 521 11373620
1hfp Comparison of ternary crystal complexes of F31 variants of human dihydrofolate reductase with NADPH and a classical antitumor furopyrimidine. V.Cody, N.Galitsky, J.R.Luft, W.Pangborn, R.L.Blakley, A.Gangjee 1998 Anticancer Drug Des 13 307 9627670
1hfq
1hfr
1ia1 X-Ray Crystal Structures of Candida Albicans Dihydrofolate Reductase: High Resolution Ternary Complexes in which the Dihydronicotinamide Moiety of Nadph is Displaced by an Inhibitor M.Whitlow, A.J.Howard, D.Stewart, K.D.Hardman, J.H.Chan, D.P.Baccanari, R.L.Tansik, J.S.Hong, L.F.Kuyper n/a To be Published n/a n/a 11520201
1ia2
1ia3
1ia4
1jol Crystal structures of Escherichia coli dihydrofolate reductase complexed with 5-formyltetrahydrofolate (folinic acid) in two space groups: evidence for enolization of pteridine O4. H.Lee, V.M.Reyes, J.Kraut 1996 Biochemistry 35 7012 8679526
1jom
1kms Atomic Resolution Structures of Human Dihydrofolate Reductase Complexed with Nadph and Two Lipophilic Antifolates A.E.Klon, A.Heroux, L.J.Ross, V.Pathak, C.A.Johnson, J.R.Piper, D.W.Borhani 2002 J. Mol. Biol. 320 677 12096917
1kmv
1ly3 Analysis of Quinazoline and Pyrido[2,3-D]Pyrimidine N9-C10 Reversed-Bridge Antifolates in Complex with Nadp+ and Pneumocystis Carinii Dihydrofolate Reductase V.Cody, N.Galitsky, J.R.Luft, W.Pangborn, S.F.Queener, A.Gangjee 2002 Acta Crystallogr., Sect.D 58 1393 12198294
1ly4
1ohj Comparison of two independent crystal structures of human dihydrofolate reductase ternary complexes reduced with nicotinamide adenine dinucleotide phosphate and the very tight-binding inhibitor PT523. V.Cody, N.Galitsky, J.R.Luft, W.Pangborn, A.Rosowsky, R.L.Blakley 1997 Biochemistry 36 13897 9374868
1ohk
1tdr Expression, Characterization, and Crystallographic Analysis of Telluromethionyl Dihydrofolate Reductase J.O.Boles, K.Lewinski, M.G.Kunkle, M.Hatada, L.Lebioda, R.B.Dunlap, J.D.Odom n/a To be Published n/a n/a 15299803
1vdr Structural features of halophilicity derived from the crystal structure of dihydrofolate reductase from the Dead Sea halophilic archaeon, Haloferax volcanii. U.Pieper, G.Kapadia, M.Mevarech, O.Herzberg 1998 Structure 6 75 9493269
1vie A plasmid-encoded dihydrofolate reductase from trimethoprim-resistant bacteria has a novel D2-symmetric active site. N.Narayana, D.A.Matthews, E.E.Howell, X.Nguyen-huu 1995 Nat. Struct. Biol. 2 1018 7583655
1vif
2drc Investigation of the functional role of tryptophan-22 in Escherichia coli dihydrofolate reductase by site-directed mutagenesis. M.S.Warren, K.A.Brown, M.F.Farnum, E.E.Howell, J.Kraut 1991 Biochemistry 30 11092 1932031
3drc
2glt Crystal structure of glutathione synthetase at optimal pH: domain architecture and structural similarity with other proteins. K.Matsuda, K.Mizuguchi, T.Nishioka, H.Kato, N.Go, J.Oda 1996 Protein Eng. 9 1083 9010922
3dfr Crystal structures of Escherichia coli and Lactobacillus casei dihydrofolate reductase refined at 1.7 A resolution. I. General features and binding of methotrexate. J.T.Bolin, D.J.Filman, D.A.Matthews, R.C.Hamlin, J.Kraut 1982 J. Biol. Chem. 257 13650 6815178
4dfr
6dfr Crystal structures of Escherichia coli dihydrofolate reductase: the NADP+ holoenzyme and the folate.NADP+ ternary complex. Substrate binding and a model for the transition state. C.Bystroff, S.J.Oatley, J.Kraut 1990 Biochemistry 29 3263 2185835
7dfr
8dfr Refined Crystal Structures of Chicken Liver Dihydrofolate Reductase. 3 Angstroms Apo-Enzyme and 1.7 Angstroms /Nadph Holo-Enzyme Complex J.F.Davies /II, D.A.Matthews, S.J.Oatley, B.T.Kaufman, N.-H.Xuong, J.Kraut n/a To be Published n/a n/a n/a



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2002-10-01 (last edited: 6 months ago)2016-09-09
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