タイ産ジャスミンイネ（Oryza sativa L. ssp. indica cv. KDML105）由来のアルド-ケト還元酵素AKR4C14の構造機能研究

Structure-function study of AKR4C14, an aldo-keto reductase from Thai jasmine rice (Oryza sativa L. ssp. indica cv. KDML105).

• Chomphunuch Songsiriritthigul
• Rawint Narawongsanont
• Chonticha Tantitadapitak
• Hong Hsiang Guan
• Chun Jung Chen

抄録

アルドケト還元酵素 (AKR) は、アルデヒド/ケトンを対応するアルコールに代謝する NADPH/NADP 依存性酸化還元酵素である。イネ由来の AKR4C14 は、シロイヌナズナの酵素 AKR4C8 および AKR4C9 と比較して、60% 以上のアミノ酸配列同一性を有するにもかかわらず、マロンジアルデヒド (MDA) の代謝効率が非常に高いことが明らかになった。この研究は、メチルグリオキサールとMDAの解毒におけるイネAKR4C14の役割を確認し、AKR4C14を特異的に発現させたトランスジェニックシロイヌナズナの両アルデヒドの内因性含量が野生型よりも有意に低いことを実証した。また、インディカイネAKR4C14のアポ構造を補酵素非存在下で決定し、安定化されたオープンコンフォメーションを明らかにした。これは、イネのAKRサブファミリー4Cのアポ型（NADPが結合していない状態）の結晶構造が観測された最初のものである。精製されたAKR4C14の構造からは、ループBの安定化したオープンコンフォメーションが明らかになり、補酵素結合前の初期段階であることが示唆された。さらに、ループB上のSer211とAsn220は、補酵素が結合している間の構造変化に関与するヒンジ残基であることが示唆された。また、ループBのオープン構造は、Phe216がコファクター結合部位から外に出て、安全帯が開くことに関与していることが提案された。サブファミリー4Cの他のAKRとの構造比較から、Trp24, Trp115, Tyr206, Phe216, Leu291, Phe295からなる基質チャネル壁が基質識別に果たす役割が強調されていることがわかった。特にLeu291は基質選択性に大きく寄与しており、これがAKR4C14が直鎖アルデヒド基質を好むことを説明していると考えられる。

Aldo-keto reductases (AKRs) are NADPH/NADP-dependent oxidoreductase enzymes that metabolize an aldehyde/ketone to the corresponding alcohol. AKR4C14 from rice exhibits a much higher efficiency in metabolizing malondialdehyde (MDA) than do the Arabidopsis enzymes AKR4C8 and AKR4C9, despite sharing greater than 60% amino-acid sequence identity. This study confirms the role of rice AKR4C14 in the detoxification of methylglyoxal and MDA, and demonstrates that the endogenous contents of both aldehydes in transgenic Arabidopsis ectopically expressing AKR4C14 are significantly lower than their levels in the wild type. The apo structure of indica rice AKR4C14 was also determined in the absence of the cofactor, revealing the stabilized open conformation. This is the first crystal structure in AKR subfamily 4C from rice to be observed in the apo form (without bound NADP). The refined AKR4C14 structure reveals a stabilized open conformation of loop B, suggesting the initial phase prior to cofactor binding. Based on the X-ray crystal structure, the substrate- and cofactor-binding pockets of AKR4C14 are formed by loops A, B, C and β1α1. Moreover, the residues Ser211 and Asn220 on loop B are proposed as the hinge residues that are responsible for conformational alteration while the cofactor binds. The open conformation of loop B is proposed to involve Phe216 pointing out from the cofactor-binding site and the opening of the safety belt. Structural comparison with other AKRs in subfamily 4C emphasizes the role of the substrate-channel wall, consisting of Trp24, Trp115, Tyr206, Phe216, Leu291 and Phe295, in substrate discrimination. In particular, Leu291 could contribute greatly to substrate selectivity, explaining the preference of AKR4C14 for its straight-chain aldehyde substrate.