Nudix(nucleoside diphosphate linked some moiety X)hydrolaseは、ヌクレオシド二リン酸類縁体(NDP‑X)からNMP + P‑Xへの加水分解(ピロホスホハイドロラーゼ)活性を持つタンパク質ファミリーの総称であり、ウイルスからヒトにいたる300種以上の生物に、2,500を超える遺伝子が存在します。本酵素ファミリーの基質は、酸化ヌクレオチド、ADP-リボース、mRNA 5’-キャップ構造に加え、ナイアシン、パントテン酸およびフラビンなどビタミンの補酵素型であるNAD(P)H、FAD、CoAなど非常に多岐にわたります。さらに最近、葉酸生合成の代謝中間体であるジヒドロネオプテリン-3リン酸やビタミンB1の補酵素型であるチアミンピロリン酸などの非ヌクレオシド二リン酸由来の物質も基質とすることが報告されています。これらの化合物の多くは還元力/レドックス緩衝剤、シグナル分子、もしくは代謝中間体や補酵素などの役割を果たす重要な生体分子です。

 生命活動を支える代謝は、生合成系と分解系の絶妙なバランスの上で成り立っています。したがって、生体内における本酵素ファミリーによる加水分解を介した様々な代謝や細胞応答への関与は、生命活動を支える重要な生体分子の代謝制御における分解過程の重要性を示唆するものです。さらに、各生物種におけるNudix hydrolase相同遺伝子の保有数は、Escherichia coli: 13種類、Bacillus cereus: 26種類、Saccharomyces cerevisiae: 7種類、Drosophila melanogaster: 20種類、Homo sapiens: 24種類であり、それらの有する本酵素ファミリーの総数の増加は、進化過程において当該生物が獲得した代謝能力や適応力を反映していると考えられています。しかし、動植物や微生物を含めた全ての生物において、酸化ヌクレオチドを基質とするNudix hydrolaseサブファミリーがDNA突然変異の抑制に機能していることを除いて、ほとんどのサブファミリーの生理機能は全く明らかにされておらず、推測の域を出ていないのが現状でした。

植物Nudix hydrolaseの生理機能

 そこで我々は、植物Nudix hydrolaseファミリーの生理機能の解析を進めており、それらが種々の生体分子の分解を介した単なる代謝制御のみならず、多様な細胞応答と深く関連していることを明らかにしてきました。

 すなわち、AtNUDX1は大腸菌MutTやヒトのMutT相同遺伝子であるMTH1、MTH2およびNUDT5などと同様に、ヌクレオチドの活性酸素種(ROS)による酸化損傷の一つであり、突然変異の原因となる8-oxo-(d)GTPを細胞質ヌクレオチドプール中から分解(浄化)することで、DNAやRNAを突然変異から防いでいることがわかりました。

 また、AtNUDX2および7はADP-リボースを生理的基質とし、DNA修復を含めた多くの細胞応答の制御のためのタンパク質の修飾機構である、ポリADPリボシル化(PAR)反応の分解過程から生成するADP-リボースの分解によるヌクレオチドリサイクルに関与することで強光や感想などの非生物的ストレス耐性に寄与することが明らかになりました。

 興味深いことに、複数のAtNUDX(AtNUDX6, 7, 10, 19)が、ナイアシン(ビタミンB3)の補酵素型であり、細胞内の主要な還元力であるNAD(P)Hを特異的基質とすることがわかりました。それらの中で、AtNUDX7は上述したADP-リボース代謝によるヌクレオチドリサイクルに加え、NADH代謝によるPAR反応を介した非生物的ストレス下でのDNA酸化損傷修復機構の制御に関与していました。

 一方、AtNUDX6はNADHの代謝調節によるTRX-h5の発現制御を介した、 病原菌感染応答のマスター制御因子、Nonexpresser of Pathogenesis-Related genes 1 (NPR1) 依存的サリチル酸シグナリング経路の制御により、病原感染などの生物的ストレスに対する獲得免疫機構に関与することが明らかになりました。

 さらに最近、AtNUDX19はROSシグナルの発信源として注目される葉緑体内の主要な還元力であるNADPHの代謝制御を介して、葉緑体から核へのレトログレードシグナルにより光合成とストレス応答・防御系のバランス制御、さらには植物ホルモンシグナリング経路の制御に機能していることを見出しました。

 この様に、Nudix hydrolaseが植物の生物的・非生物的ストレス応答の制御に関与している事実は初めての例でした。


 さらに、植物のNudix hydrolaseは多様な代謝の制御に関与していることもわかってきました。葉緑体局在型AtNUDX23は、FADをFMNとAMPへ加水分解する活性を有しており、本反応によるフラビン代謝系のフィードバック調節を介して、明暗に応答した細胞内フラビンレベルの制御に機能することを明らかにしました。植物は酵母や微生物と同様に、GTPとリブロース5-リン酸からリボフラビン(RF: ビタミンB2)を生成することができ、フラビン類は、光合成や呼吸など植物の主要な代謝系に関与しているだけでなく、ジャスモン酸やサリチル酸などを介した環境ストレス応答への関与しています。この様に、フラビン化合物は植物の生理応答の根幹に寄与しているにも関わらず、それらの代謝系の制御機構は不明な点が多く残されていましたが、我々の研究成果は植物フラビン類生合成研究に多大な知見を与えました。

 一方、AtNUDX11は脂肪酸伸長や生合成、フラボノイド生合成に必要であるマロニル-CoAの細胞質プールの調節に、AtNUDX15および15aはミトコンドリアでのスクシニル-CoAレベルの調節を介したTCAサイクルの制御に関与することが示唆されました。

 さらに最近、原核微生物の貧栄養時の緊縮応答の中心物質として知られているグアノシン-3,5-テトラリン酸 (ppGpp) に特異的な活性を有する葉緑体局在型のAtNUDX26を同定し、本酵素のストレスに応答した葉緑体遺伝子発現制御への関与が示唆されました。

 

 これらの成果は、生体有用分子の代謝制御が生合成経路だけでなく、Nudx hydrolaseによる分解経路との絶妙なバランスの上で成り立って、ホメオスタシスを維持していることを強く示すものでした。さらに、植物は生存戦略として、Nudix hydrolaseによる種々の生体分子の分解経路を巧みに発達させてきたと考えられます。今後、さらなる植物Nudix hydrolaseファミリーの機能解析を進め、それらの生物界における分布を明らかにすることで、生物の未知なる巧妙な代謝経路や生存戦略の理解の進展につながることが期待されます。