ヒト肝臓型グルタミナーゼGLS2の構造と活性化メカニズム

癌細胞は、変化した代謝表現型を示し、より高いレベルのアミノ酸グルタミンを消費します。この代謝再プログラミングは、ミトコンドリアのグルタミナーゼ活性の増加に依存して、グルタミンをグルタミン酸に変換します。これは、細胞の生体エネルギーおよび生合成プロセスの必須前駆体です。哺乳類は腎臓型（GLS）および肝型（GLS2）グルタミナーゼアイザイムをコードします。GLSは癌で過剰発現し、悪性腫瘍の強化に関連しています。一方、GLS2は、腫瘍の種類に応じて、腫瘍抑制因子または癌遺伝子のいずれかです。GLS構造と活性化メカニズムはよく知られていますが、GLS2活性化の構造決定因子はとらえどころのないままです。ここでは、GLS2のヒトグルタミナーゼドメインの構造を説明し、その後、その活性に重要な残基の機能的特性評価を説明します。GLS2の濃度の増加は、リン酸によって強化されたプロセスであるテトラマーの安定化につながります。GLS2では、いわゆる「蓋ループ」は剛性のある開いた立体構造にあり、リン酸塩に対するより高い親和性とグルタミンに対する親和性の低下に関連している可能性があります。したがって、GLSよりもグルタミナーゼ活性が低い。グルタミンに対するGLS2の親和性が低いことは、GLSよりも電気陽性触媒の少ない触媒部位にも関連しています。これは、触媒部位内のThr225Lys置換が半極性速度に対応するGLS2グルタミン濃度を減少させることで示されています（K0.5）。最後に、LYS253ALA置換（以前は「ゲーティング」ループとして知られていたGLS「活性化」ループのLys320ALAに対応）は、安定した四量体形態で非常に活性なタンパク質をレンダリングすることを示します。GLS阻害の既知の標的である「活性化」ループも、GLS2の薬物標的である可能性があると結論付けています。

Cancer cells exhibit an altered metabolic phenotype, consuming higher levels of the amino acid glutamine. This metabolic reprogramming depends on increased mitochondrial glutaminase activity to convert glutamine to glutamate, an essential precursor for bioenergetic and biosynthetic processes in cells. Mammals encode the kidney-type (GLS) and liver-type (GLS2) glutaminase isozymes. GLS is overexpressed in cancer and associated with enhanced malignancy. On the other hand, GLS2 is either a tumor suppressor or an oncogene, depending on the tumor type. The GLS structure and activation mechanism are well known, while the structural determinants for GLS2 activation remain elusive. Here, we describe the structure of the human glutaminase domain of GLS2, followed by the functional characterization of the residues critical for its activity. Increasing concentrations of GLS2 lead to tetramer stabilization, a process enhanced by phosphate. In GLS2, the so-called "lid loop" is in a rigid open conformation, which may be related to its higher affinity for phosphate and lower affinity for glutamine; hence, it has lower glutaminase activity than GLS. The lower affinity of GLS2 for glutamine is also related to its less electropositive catalytic site than GLS, as indicated by a Thr225Lys substitution within the catalytic site decreasing the GLS2 glutamine concentration corresponding to half-maximal velocity (K0.5). Finally, we show that the Lys253Ala substitution (corresponding to the Lys320Ala in the GLS "activation" loop, formerly known as the "gating" loop) renders a highly active protein in stable tetrameric form. We conclude that the "activation" loop, a known target for GLS inhibition, may also be a drug target for GLS2.