－ －19Inhibition of homoserine dehydrogenase by formation of a cysteine-NAD covalent complexKohei OGATA, Yui YAJIMA, Sanenori NAKAMURA, Ryosuke KANEKO, Masaru GOTO, Toshihisa OHSHIMA and Kazuaki YOSHIMUNEThis paper describes a novel inhibition mechanism of homoserine dehydrogenase (HSD) from hyperthermophilic archaeon Sulfolobus tokodaii (StHSD). HSD catalyzes an NAD(P)H-dependent reversible reaction from L-aspartate-4-semialdehyde to L-homoserine in the aspartate pathway that produces cysteine, methionine, threonine, and isoleucine from aspartate. Previously, we reported that the heat-treated StHSD is activated by the reductive cleavage of the disulfide bond formed between the two subunits of the homodimer on the basis of analyzing the structure and activity. In this study, StHSD was found to be inhibited by cysteine, which is one of the precursors of methionine. Cysteine competitively inhibited homoserine with a Ki value of 0.011 mM, and uncompetitively inhibited NAD and NADP with Ki values of 0.55 and 1.2 mM, respectively. Little effect on the activity was observed by the addition of 10 mM threonine, methionine, isoleucine, and lysine. Structural analysis of StHSD complexed with cysteine and NAD revealed that cysteine is located in the probable binding site of homoserine. Structural analysis of the mature StHSD complexed with cysteine and NAD revealed that cysteine is located in the binding site of homoserine.Keywords: enzyme inhibition, archaea, homoserine dehydrogenaseシステインとNADとの共有結合によるホモセリン脱水素酵素の阻害 生物を分類すると真核生物、真正細菌、アーキアの3つに分けられる。この内アーキアには100℃近い高温や飽和に近い塩濃度を好んで生育するものが含まれる。このアーキアは真核生物の特徴をもったり、細胞膜が独自の構造をもつなど、他の生物とは異なる特徴を持っている。その代謝経路も独特で他の生物では2種類の酵素が担当する別々の反応を一つの酵素で行う場合がある。ホモセリン脱水素酵素はアスパラギン酸からシステイン、スレオニンやメチオニンを合成する代謝経路の2段階目の反応を触媒する酵素で、その代謝経路の反応速度を制御する鍵酵素と考えられている。これまでに80℃、pH3で生育する好熱好酸アーキアであるSulfolobus tokodaiiのホモセリン脱水素酵素が還元剤の存在下で分子間のジスルフィド結合を切断することで活性化することを発見した。本論文ではこの酵素がシステインによって阻害されることを見出した。システインはこの酵素を含む代謝経路で生成する可能性があることから、この阻害は代謝経路の産物が上流の酵素反応を阻害するフィードバック阻害であることが考えられた。システインによるこの酵素の阻害様式を結晶構造解析により調べたところ、この酵素の活性中心に阻害剤であるシステインが結合し、NADと共有結合していることを発見した。阻害剤システインは本酵素の基質であるホモセリンよりも小さく構成する原子も異なるものの、酵素の活性中心に結合して阻害する。この理由の一つとしてシステインがNADと共有結合することで酵素との親和性を向上させていることが明らかとなった。酵素の阻害剤には医薬品や農薬として応用されているものがある。新しい阻害様式の発見によって、新しい医薬品や農薬の開発に貢献できる。キーワード：酵素阻害，アーキア，ホモセリン脱水素酵素Journal（掲載誌）Scientic Reports Vol. 8, 5749, Apr 2018Published Paper
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