7 号（7 月）2012〕補酵素の誕生と進化 401 ミニレビュー補酵素の誕生と進化 The origin and evolution of coenzymes 補酵素がどのように誕生し，進化してきたかという始の代謝が組織的に行われたとは考えにくいとしていことは他の生体分子の進化と同様興味深い問題である 2）．当時，現在のタンパク質の役割をしていたのがる．補酵素の誕生と進化を解明することは，代謝の成核酸酵素であり，原始的な補酵素は核酸酵素の中に組立と発展，ひいては生命のシステムを理解することにみ込まれることによって高い触媒活性を有することがつながるために，学問的意義が高い．「進化」は再現でできた．換言すれば，現在の補酵素が単独では触媒能きないので科学の対象にはなり難いとよく言われる力が低いことが，取りも直さず原始の補酵素が核酸酵が，化学進化については実験条件の改善などで原始に素の中で働いていたことを示すというわけである．そ起こったことの再現に近づくことができるようになの補酵素は核酸酵素に結合するためにヌクレオチドのり，また，代謝の確立については原始の代謝の名残を構造を持っており，後に進化の過程で核酸酵素がタン残す生物の代謝の解析からかなりのことが推察されるパク質酵素に置き換えられるようになった後も，ヌクようになってきている．本稿では補酵素の誕生と進化レオチドの構造が部分的に残り，それが今日，核酸酵についての初期のさまざまな重要な洞察を踏まえて最素時代の痕跡として認められることになった．以上が近の知見を整理してみた． White が最初に考えた補酵素の誕生と進化についての 1．初期の洞察考察である．さらに White は核酸酵素について以下のように考察補酵素は多くの場合，ヌクレオチドとなっている．した．原始の核酸酵素による代謝においては，核酸酵 1972 年に Kuhn はリボソームにおけるタンパク質合成素の基質認識能力はタンパク質酵素ほど高くなく，基系の確立以前に RNA の自己増殖が起こっていた可能質が異なっても反応の種類が同じであれば，それらの性を指摘した 1）．1976 年に White は，補酵素はタンパ反応は同一の核酸酵素で触媒されていたであろう．後ク質合成系の確立前に存在した“核酸酵素 nucleic acid に翻訳系ができるようになると，作られたタンパク質 enzyme（現在言うところの ribozyme のもととなる概が核酸酵素に結合し，そしてそれまでになかったよう念）”の「生き残った名残」であると唱えた 2）．RNA はな基質認識を可能とした．次第にタンパク質は核酸に自己複製するのに対し，タンパク質は自己複製ができ取って代わって酵素の大部分を占めるようになるが，ない．そこで，進化の初期には RNA を中心に進化がタンパク質の機能は基質認識に向けられ，触媒は核酸起こり，タンパク質合成系はずっと後になってできたが担った．それが今日の補酵素である．今日の補酵素ものであることが想像される．Eakin はそのような“タがどれほど原始の核酸酵素の構造を反映しているかンパク質の酵素がないような時代”にも代謝は行われは，補酵素によってまちまちであるが，一つの極端なており，その代謝の進化の過程で補酵素の原型が生ま例として，tRNA は最も巨大な補酵素（アシル基の運搬れたと考えた 3）．進化は，形態的に単純で化学的に複体と見なすのであれば CoA と同様の補酵素である）と雑な原始の状態から，形態的には複雑であるが化学的考えられるので，原始の核酸酵素を最もよく残していには単純な状態への変化と捉えることができる．このると言えるし，逆にチアミンは核酸の構造を痕跡的に変化の転換期が生命の誕生であり，その時に代謝が確持っている（4-amino-2-methylpyrimidine の部分は今日立し，その過程で補酵素と代謝が協調して進化したとのピリミジン塩基に類似しており，原始の核酸酵素で考えられる 3）．現在，補酵素はそれ自体でも触媒能力は核酸塩基部分にチアゾールが結合していた可能性がを持っているとみなされているが，その触媒能力はタある）と考えられる．その一方で，ビオチンやリポ酸ンパク質なしでは極めて低い．原始では高温の環境とは核酸の構造を完全に失っている．Brack と Orgel 4）に膨大な時間のために触媒能力の低さがカバーできていよると初期のタンパク質は疎水性のアミノ酸と親水性るという考えかたもできるが，White は，それでは原のアミノ酸が交互に配列してβ-シート構造を取って林秀行 402 〔ビタミン 86 巻いたという．逆平行β-シート構造は RNA 分子と結合を還元する過程でエネルギーの獲得と炭素骨格の合成しやすいので，おそらく原始の核酸酵素に結合した初を行い，副産物としてそれぞれ酢酸とメタンを生成し期のタンパク質も同様の構造であったであろう．そのている（図 1）．これらの菌の代謝経路は Wood-Ljung- 初期のタンパク質の中で補酵素と相互作用した部分の dahl 経路と不完全（クエン酸とイソクエン酸を欠く）か構造が今日 Rossmann フォールド（これは平行 β-シーつ逆行するクエン酸回路を組み合わせたものである．ト構造だが）として知られるヌクレオチド結合部位の Fuchs はこれが生命の進化において最初に成立した代構造として残っているのであろうということである．謝経路を反映していると考えた 5）．その考えに基づき，以上の考えはもう 30 年以上も昔のものである．し Martin と Russell は以下のような展開を想定した 6）．かし，次節以降明らかとなるように，その考えは今日最初に成立した代謝経路においては，まず H2 を電でも基本的に継承されている．核酸酵素は後にリボザ子供与体，CO2 を電子受容体とし，アセチルチオエスイム ribozyme と，また RNA を中心として進化が進行テルが生成する（Wood-Ljungdahl 経路に類似した経していた頃の世界は RNA ワールドと，それぞれ呼ば路）．生成したアセチルチオエステルはエネルギーのれるようになった．供給源となる一方，H2 による還元とカルボキシル化を受けてピルビン酸を作る．このとき，アセチルチオエ 2．最初の補酵素は何か？ステルのチオエステル結合の持つエネルギーと H2 の補酵素がどのように生まれたかという問題は必然的還元力が反応の駆動力となる．ピルビン酸は CO2 の付に最初に生まれた補酵素は何かという問題に行き着加を受けてオキサロ酢酸になり，高エネルギーリン酸く．そのためには，代謝が成立したころにどのように化合物からリン酸の転移を受けてホスホエノールピルなっていたかを知る必要がある．ビン酸になる．一方オキサロ酢酸からは，現在のクエ酢酸生成菌（acetogens；酢酸菌（好気性細菌）とは異ン酸回路を逆行する形でイソクエン酸が生成し，これなる嫌気性細菌）とメタン菌（嫌気性アーキア）は CO2 がグリオキシル酸とコハク酸に解裂する．ここまでの ♧ߩวᚑ ࠛࡀ࡞ࠡ࡯ઍ⻢ O O O– P OH Phosphoenolpyruvate HSCoA Pyruvate O O– O O H2 + CO2 SCoA HPO42– O O Glyoxylate O– –O O– O HO P O O –O CO2 O– OH O –O Acetyl-CoA –O O O O O O O– – O Isocitrate O O– O O Oxalacetate Wood–Ljungdhal ⚻〝 H2 + CO2 O HSCoA 4H2 2CO2 –O O– O O H2 + CO2 O –O O– Į-Ketoglutarate OH H2O O –O –O O– O O –O H2 O O SCoA O O– O 図 1 想定される初期の代謝経路 Wood-Ljungdhal 経路によりアセチル CoA が作られる．アセチル CoA はアセチルリン酸となり，これは初期のエネルギー通貨であった可能性がある．一方，さらに還元とカルボキシル化を受けてピルビン酸となり，ここからホスホエノールピルビン酸となって糖の合成に，また現在のクエン酸回路を逆行する形で種々のケト酸を生成し，それらからアミノ酸を合成する． 7 号（7 月）2012〕補酵素の誕生と進化 403 代謝経路ができ上がると，あとはホスホエノールピルていたのであろう．ビン酸から糖が，ピルビン酸，オキサロ酢酸，α-ケトただし，テトラヒドロ葉酸を担体とした場合は，ホグルタル酸，グリオキシル酸といったケト酸からアミルミル基を還元するとメチレン基となり，さらに還元ノ基転移（5. を参照）によってアミノ酸が作られる．することでメチル基を作ることができる（これは実際この中でもアセチルチオエステルの合成経路が最初に Wood-Ljungdahl 経路で行われていることである）が，にでき上がったとすると，その生成のためにチオールリン酸を担体とした場合は，ホルミル基を還元すると化合物が必要である．前生物的にはこれは CO2 と H2S ホルムアルデヒドとリン酸に分解してしまう．すなわと H2 から CH3SH が作られたのが最初と考えられる 7）．ち，リン酸はメチル基供与のための担体とはなり得ず， CH3SH は FeS，Fe/NiS，NiS などの存在下で CO2 と H2 アセチルチオエステルの合成経路の補酵素としてはテからアセチルメチルスルフィド CH（CO） SCH（現在 3 3 トラヒドロプテリン類がいずれ必要となる．そして， 8）のアセチル CoA に対応するもの）を形成する．そしそれは GTP から作られたであろう．したがって，テてこれが無機リン酸と反応して生成したアセチルリントラヒドロプテリン類が初期の代謝の補酵素となって酸が最初の高エネルギー化合物であったと思われる．いたかどうかは，そのときにどれだけ RNA の蓄積（上その後，無機的なアセチルチオエステルの合成経路述の通り，ホルミルリン酸が関与する）があったかには次第に有機化合物の関与するものになった．それらよって決まると考えられる．の有機化合物は現在の酢酸生成菌やメタン菌ではテトこのほかにも見られる“ニワトリと卵”の矛盾の種明ラヒドロプテリン類と CoA である．もしも初期の代かしは 6. において述べる．謝においてもこれらが補酵素となっていたとしたら，これらが最初の補酵素ということになる．現在の CoA の生合成経路ではホルムアルデヒドの供給は N 5，N 10- 4．CoA は無駄に大きいのか？一方，もう一つの補酵素 CoA について考えると，メチレンテトラヒドロ葉酸によってなされることからそもそもアセチルチオエステルを形成することが必要すると，テトラヒドロプテリン類の方が CoA よりもであるならば，CoA でなくもっと単純なチオール化合先にできたということになりそうである．テトラヒド物でも良いはずである．ただし，RNA 生物として代謝ロ葉酸は RNA ワールドにおいてプリン塩基を作るのを発展させていくためには RNA に結合するためのにも必要なので，その意味でもテトラヒドロプテリン取っ手となる部分（8. で詳説）が必要である．明らかに類が最初の補酵素と考えても良さそうにみえる．しか CoA のヌクレオチド部分はその機能を果たしているとし，以下に述べるように，実際はそう単純ではなかっ思われるが，メタンチオール CH3SH には取っ手に結合させるための官能基がない．そこで，おそらくエチたようである．レンスルフィド（チイラン）とアンモニアの反応によっ 3． “ニワトリと卵”の矛盾て生成するシステアミンなど，ヘテロ三員環化合物の現在，テトラヒドロプテリン類（テトラヒドロ葉酸開裂によって作られチオール化合物が使われたものと（酢酸生成菌）とテトラヒドロメタノプテリン（メタン（図 2（a））．システアミンがアシル基の運思われる 10）菌））は GTP の塩基部分の加水分解と Amadori 転位に搬あるいは活性化などの機能を持つ上での欠点は，チよって作られている．この複雑な構造を見ると，プリオエステルとなったシステアミンでは，アミノ基がチン塩基と糖が結合したものが存在しないとテトラヒドオエステルを分子内求核攻撃し，より安定なアミドをロプテリン類を作るのは困難に思える．現在の代謝と形成してしまうことである．アミドとなってしまうと同じようにプリン塩基の生合成がテトラヒドロ葉酸をアシル基転移やα-炭素の活性化が期待できない．そ必要とするのであれば，自分が作られるための原材料こで，システアミンのアミノ基があらかじめ保護されを自分自身が作るという“ニワトリと卵”の矛盾に陥るていると都合が良い．この保護のためのアシル化に使ことになる．われたのがパントテン酸である．パント酸はイソブチこの問題については，ある種のメタン菌のプリン合ルアルデヒドとホルムアルデヒドのアルドール縮合の成においてホルミルテトラヒドロ葉酸の代わりにホルあと，Strecker 合成，すなわち HCN との反応によるシミルリン酸が使われていることが Ownby らによってアノヒドリンの形成，加水分解によって容易に作られ 9）発見されたことで説明がつくようになった．おそらる（図 2（b））．パント酸はβ-炭素に水素がないためにく RNA の合成経路が成立したばかりのころはホルミ γ-水酸基が脱離せずに保たれること，またβ-炭素にルリン酸がプリン塩基合成における C1 供給源となっ 2 つメチル基が結合しているので環状化してラクトン林秀行 404 〔ビタミン 86 巻 NH3 (a) S SH H2N H2S N H (b) OH HCHO O H2N (c) O HO HCN O HO OH COOH HO O H N N OH HO O Pantoic acid O OH O H2N OH OH COOH HO Pantolactone H N O (d) OH H2O OH HO O H N H N O OH O Pantothenic acid SH (5)-Pantetheine 図 2 CoA の成分の前生物的合成（a）システアミンはエチレンスルフィド（チイラン）とアンモニア，あるいはエチレンイミン（アジリジン）と硫化水素の反応等で作られる．（b）イソブチルアルデヒドとホルムアルデヒドの反応，シアノヒドリンの形成と加水分解によってパント酸が作られる．（c）パント酸はラクトン（パントラクトン）を作りやすく，パントラクトンとグリシン，β-アラニンが反応する．β-アラニンとの反応でパントテン酸が作られる．（d）現在の生命に存在する (R)-パンテテイン．を形成しやすいことが特徴である．ラクトンはアミノ能的要請というよりも，進化の過程を反映したものと酸と反応して開環するが，その際に単純なアミノ酸で言えそうである．あるグリシンやβ-アラニンといったものと反応した CoA の生合成にはシステアミンとβ-アラニンといであろう（図 2（c））．グリシンの方がβ-アラニンよりう，それぞれシステインとアスパラギン酸の脱炭酸に量的に多かった上に，反応も速い．そのために前生物よって生成するアミンが使われるが，現在の代謝では的にはパントイルグリシンがパントテン酸よりも遥かこの脱炭酸はピリドキサールリン酸ではなく，ピルビに多く作られていたと考えられる．しかし，パントイン酸を補因子とする酵素によって行われている．このルグリシンでシステアミンをアシル化すると，パントことは，初期の代謝が確立したころ，テトラヒドロプ酸部分のα-水酸基が六員環中間体を作ることによっテリン類と CoA が存在し，ピリドキサールリン酸がてシステアミンとのアミド結合を攻撃し，システアミ存在しない時期があったことを示唆している．次節でンを切り離してしまう．パントテン酸によるアシル化述べる通り，この時期にはアミノ基転移がアミノ酸とであれば，同様の反応を起こそうとすると不利な七員ケト酸の間で直接行われていたと思われる．環中間体を経ることになるので，最終的に安定なアシアミノ基転移によるアミノ酸の合成経路ができ上がル基の供給源としてパントテン酸が選ばれたというわる前に，アセチル CoA から炭素骨格が作られる経路（すけである 11）．なわち上記の不完全かつ逆行するクエン酸回路；図 1）進化というものは行き当たりばったりであると言わが確立している必要がある．この経路にはアセチルれる．これは，後になってみればもっとうまく作れた CoA からピルビン酸，スクシニル CoA からα-ケトグということがわかっても，そのようなことまで見越しルタル酸が作られる過程があるので，ここでチアミンて進化は行われないということである．進化がそのよ二リン酸が必要となる．そうすると，チアミン二リンうなものであるために，生命の構造の中には試行錯誤酸はピリドキサールリン酸よりも先にできた補酵素でのあとがしばしば見出される．CoA の複雑な構造は機あるということになる． 7 号（7 月）2012〕補酵素の誕生と進化 R1 H2N O R1 OH O HOOC 405 R2 H2O HOOC R1 O N O H R2 R1 N HOOC O H2O CO2 NH2 CO2 R2 HOOC R2 図 3 アミノ酸とケト酸のシッフ塩基形成によるアミノ基転移ピリドキサールリン酸の触媒によらず，アミノ酸とケト酸が直接シッフ塩基を形成してアミノ基転移を行おうとすると，プロトトロピーよりも協奏的な脱炭酸とプロトン化が起こり，もとのアミノ酸はアルデヒドとなる． 5．初期のアミノ基転移はピリドキサールリン酸なしに行われたかもしれないて B が作られる（図 4（a））．そしてそのうちに，B が他の代謝産物と反応して A を作る経路が生じる，ということは十分起こり得ることである（図 4（b））．また，アミノ酸代謝の根幹であるアミノ基転移は，ピリド B が A の機能を代替する場合も考えられる（図 4（c））．キサールリン酸（あるいはピリドキサール）がなくても補酵素が自分自身の生合成の補酵素となっているといアミノ酸とケト酸の間で進行することが認められていう“ニワトリと卵”の関係はこのようにして成立したとる 12）．これはアミノ酸とケト酸がシッフ塩基を形成す考えることができる．GTP からテトラヒドロ葉酸が作ることで起こるのであるが，この方式でのアミノ基転られ，テトラヒドロ葉酸が GTP の塩基であるプリン移はアミノ酸側の脱炭酸を伴ってしまう（図 3）．ケト塩基生合成の補酵素となっていることは図 4（c）に該酸との単純なシッフ塩基ではアミノ酸の Cαのプロト当する．ピリドキサールリン酸の現在の生合成経路のンがあまり活性化されないため，プロトトロピーより一段階にエリトロース 4-リン酸とグルタミン酸の間でも，協奏的な脱炭酸とイミノ基炭素のプロトン化の方のアミノ基転移が起こっている．初期の代謝においてが進行する 12）．その結果，ケト酸はアミノ酸となるが，前述のようにこのアミノ基転移がアミノ酸とケト酸のアミノ酸の方はアルデヒドとなってしまう．このよう間で直接行われているのであれば，図 4（c）に該当する．にもとのアミノ酸の骨格が失われるため，この方式でもしも図 4（b）の場合であるとすると，前生物的なピのアミノ基転移は非効率的である．金属イオンが存在リドキサールリン酸の合成が必要なことになる．すると，ピリドキサールリン酸とアミノ酸のシッフ塩ピリドキサールのようなピリジン誘導体はかなり簡基は Cαのプロトンを活性化し，またカルボキシル基単に作られ，例えば 1 分子の NH3 と 3 分子のグリコーを静電的かつ立体化学的に安定化するため，脱炭酸を行わずにアミノ基転移を進行させることができる．このようにしてピリドキサールリン酸が登場したものと (a) A B 考えられる．ピルビン酸を補因子とするアミノ酸脱炭酸酵素があるが，これらをピリドキサールリン酸の登場以前にケ (b) ト酸とアミノ酸の直接的なアミノ基転移が起こってい C A B たことの名残とする考え方がある 12）．ただし，現存するこれらの酵素では上記のようなイミノ基炭素のプロ (c) トン化が起こらず，アミノ基転移なしに脱炭酸を起こすようになっている． 6．補酵素の前生物的合成初期の代謝が形作られた頃には，そうした代謝によって生まれた産物が互いに反応して新たな化合物を非酵素的に形成するようになったと考えられる．例えば，A という補酵素が前生物的合成によって十分量存在したとする．A が補酵素として働く代謝経路によっ B B 図 4 補酵素生合成における“ニワトリと卵”の関係を生み出す機構（a）前生物的合成で蓄積していた A が B の合成経路のある段階に必要な補酵素となる．（b）B が C と反応して（直接的あるいは間接的に）A を生じる．これにより，A が安定して供給される経路が確立する．（c）あるいは B が A の機能を代替するということも考えられる．林秀行 406 〔ビタミン 86 巻ルアルデヒドからピリドキシンに類縁の 3-ヒドロキシそのような前生物的合成から初期の代謝への移行を -4-ヒドロキシメチルピリジンが作られる 13）．また，考える上で興味深いのがニコチン酸の合成である．前 prop-2-yneimine と pent-2，4-diyne-1-al が水分子の付加項で説明した前生物的合成の経路とは別に，アスパラを伴って結合して生じた 4-al-2，5-dimethenyl-3-hydrox- ギン酸とリボースまたはデオキシリボースから非酵素 ylpyridine にリン酸が付加して直接ピリドキサールリン的にキノリン酸（ニコチン酸の前駆体）やニコチン酸が酸が生じる経路が理論的に起こり得る経路として提案作られることが確認された 19）．この際にはリボースま 14）されている（図 5）．たはデオキシリボースからメチルグリオキサールが生上述のピリドキサールリン酸の由来の一つと考えら成して，それがアスパラギン酸と反応して以後の反応れる prop-2-yneimine に類似した cyanoacetylene（prop-2- が進行する（図 6（a））．そこで，前生物的合成の段階 ynenitrile）は，様々な天体に存在することが認められでこの経路によるキノリン酸合成が起こっていた可能ていることから，原始の地球にも存在したと考えられ性がある．ところが，ジヒドロキシアセトンリン酸はる．cyanoacetylene はシアン酸や尿素と反応してシトリボースまたはデオキシリボースよりも効率よくメチシンを形成する．その他，シアン化水素の重合によっルグリオキサールを生成するので，初期の代謝でジヒてアデニンが作られたという説もよく知られている．ドロキシアセトンリン酸が登場するころにニコチン酸前生物的合成の段階で，このような核酸塩基やピリジの合成経路に変化があったのかもしれない．現在の生ン環を持つ化合物などヘテロ環化合物が原始大気にお物では，アスパラギン酸とジヒドロキシアセトンリンける放電の結果作られた化合物を元として形成された酸から出発するキノリン酸の生合成経路（図 6（b））がことは間違いがないであろう．最も単純で，真核生物，細菌，アーキアの 3 つに共通ニコチン酸アミドやニコチン酸の前駆体であるニコして存在することから，進化的に最も古いものと見なチノニトリルも cyanoacetaldehyde，propiolaldehyde，されており，ジヒドロキシアセトンリン酸とアスパラ NH3 といったものから前生物的に簡単に作られたようギン酸からキノリン酸が作られる経路がそのまま，非である 15）．また，チアミン二リン酸については，前生酵素的な反応から酵素的な反応へと発展してできた可物的合成に相当する反応の実証はないが，理論的に可能性がある．ただし，反応機構は非酵素的な反応と酵能な経路が提唱されている 16）．素的な反応では異なっている（図 6）．また，これはカルバモイルリン酸とアスパラギン酸からピリミジンヌ 7．前生物的合成と初期の代謝クレオチド合成系に類似しており，おそらく RNA 生初期の代謝経路が RNA 生物の中で発展してくると，物の RNA 合成経路の確立と関連しているものと思わそうした生命を構成する物質群の合成も前生物的合成れる．また，現在の代謝では，キノリン酸からニコチの時代とは様相が異なったものになった．例えばピリン酸への脱炭酸はオロト酸からウラシルへの脱炭酸とミジンヌクレオチドの前生物的合成は，リボース部分同様，リボースとグリコシド結合を形成することで起と塩基部分が同時に合成される機構が考えられるようこる．ここにおいてもピリミジン合成系の酵素が用い（文献 18 で解説），後に確立した生になっているが 17）られたと考えられる．また，NAD はジヒドロオロト合成経路は明らかにこれとは異なっている．酸からオロト酸を作るのに使われるので，ピリジンヌ O O H2O OH NH N O OH N H3PO4 HO O OH P O O OH N 図 5 ピリドキサールリン酸の前生物的合成の一つの仮説実験的に証明されたわけではないが，原始の地球に存在した可能性のある化合物から僅か 3 段階のステップでピリドキサールリン酸が作られる機構は魅力的である． 7 号（7 月）2012〕補酵素の誕生と進化 (a) O– P O O O HO Aspartate H2PO4– N O COO– COO– HO N HO COO– O O Methylglyoxal HO (b) 407 COO– COO– N H2O COO– COO– 2H N COO– O– P O O O COO– O COO– H2PO4– HO HN HO HN COO– COO– COO– HO H2O N COO– COO– H2O N COO– 図 6 キノリン酸の想定される前生物的合成と現存する最も簡単な生合成反応（a）は文献 19 に基づく．メチルグリオキサールはリボース，デオキシリボースからも供給される．（b）はキノリン酸合成酵素の想定される反応機構 20）．クレオチド合成系はピリミジンヌクレオチド合成系と位置に特定のアミノアシル基を配置することが可能に深い関係を保ちつつ共進化したものと思われる．なるということである．もしもこのような“遺伝コー 8．RNA ワールドにおける補因子ド”がいい加減なものであるならば，優れた形質の選択（能力の高いものを大量に複製）はあり得ないことにそれでは RNA ワールドにどのようにしてタンパクなるので，早期にそういった“遺伝コード”が確立した質が登場し，リボザイムの構造をどのように置換してものと思われる．いったのであろうか．RNA 生物がうまくやっていたのこのような遺伝コードが現在の遺伝コードに変わっであれば，どうしてわざわざタンパク質の生物に置きていく過程におけるアミノアシルリボヌクレオチドの換わっていったのであろうか．これに関しては，Sza- 進化は驚くべき機構で行われたようである．それを示 thmáry の総説 21）に詳しく述べられている．す痕跡が今日の遺伝コードに見られる．通常，遺伝コーアミノ酸は，今日の酵素の中での役割からわかるよド表はコドンとアミノ酸の対応を示しているが，これうに，様々な触媒活性を有しているものが多い．そうをアンチコドンとアミノ酸の対応を示す表に書き換いったものがアミノアシル基として RNA に結合し，え，さらにアンチコドンの塩基の疎水性（A＞G＞C＞リボザイムの中で働いていたであろう．アミノアシル U）の順番に並べ替えてみると，アンチコドンの 2 番目基が結合する場所は 2’ - 位の水酸基以外には RNA の両と 3 番目の塩基の疎水性／親水性とアミノ酸の疎水性末端の 5’ - 位と 3’ - 位の水酸基が考えられるが，リボザ／親水性が見事に対応する 22）．さらに，tRNA においイムのそれらの場所にアミノアシル基として結合するてアミノアシル基がアンチコドンおよび識別位塩基とという機構のほか，アミノアシル化されたリボヌクレ相互作用していることがモデルで示された 23）．以上のオチドが用意されていて，それがリボザイム本体に相ことは，アミノアシル tRNA の進化がアミノアシル基補的な塩基対を形成することで結合するという機構がとアンチコドンの直接的な相互作用を通じてもたらさ考えられる（図 7（a））．後者の機構の利点は，アミノれ，それによって遺伝コードが決定したことを示してアシル化されたリボヌクレオチドのアミノ酸の種類といる．また，こうして並べ替えた表の中では，隣接す塩基配列の組合せが確立すれば，リボザイムの特定のるアミノ酸は生合成経路も近くなっている（図 8）．例林秀行 408 〔ビタミン 86 巻 (a) CCH ࠕࡒࡁ㉄ CCH ⵬㉂⚛ (b) 図 7 補因子の結合したヌクレオチドのリボザイムへの結合の模式図（a）リボザイムの塩基対を形成していない部分に，アミノ酸や補酵素を末端にエステル結合で保持したリボヌクレオチドが結合する．このリボヌクレオチド部分を CCH と呼ぶ．（b）アミノ酸を持つリボヌクレオチドが連続して結合し，リボザイムをほぐして行く．これからペプチドと mRNA の原型が作られる．一方，補酵素はアミノ酸のように互いに連続して結合を作る構造を有しないため，そのまま活性中心に保たれる．最終的にペプチドが大きくなったタンパク質が，活性中心に補酵素を保持したものができる．補酵素には時としてヌクレオチドの構造が残る．を挙げると，アンチコドンとアミノ酸の対応表の最下段を見るとアンチコドンが NAU となっているのはメ 9．アミノ酸と補酵素の分岐チオニンとイソロイシンであり，その隣のアンチコド上記のように，RNA ワールドの初期のリボザイムにンが NGU であるのはトレオニン，さらに一番右のアおける補因子の結合したリボヌクレオチドというのがンチコドンが（C/U）UU はリシン，（A/G）UU はアスパ coding coenzyme handle（CCH）と呼ばれる概念である．ラギンであり．この順番にアンチコドンの親水性とアこの段階ではアミノ酸と，アミノ酸以外の今日の補酵ミノ酸の親水性が増加している．また，これらのアミ素の原型のようなものが，いずれもこの CCH を持っノ酸はすべてアスパラギン酸から作られる．アスパラてリボザイムに結合していたと思われる（図 7（a））．ギン酸自体のアンチコドンは（A/G）UC であり，アスところが，その後，アミノ酸を結合したリボヌクレオパラギンのアンチコドンと近い．このことは，アミノチドは tRNA に発展しペプチド鎖を作るようになるが，酸生合成系の進化と tRNA の進化は平行して起こった補酵素の方はポリマーを作る構造を持たないため，ことを示唆している．これは本稿の筆者の考えである RNA との結合の構造は保たれる（図 7（b））．が，アミノ酸がアミノアシル基として RNA に結合しそれでは，そのような分化が起こった頃の補酵素はた状態でアミノ酸生合成系が成立したとすると，代謝どのような構造をしていたのであろうか．現在知られ経路の改変によって新たなアミノ酸が生まれたとき，ている種々のリボザイムに ATP，FAD，NAD，シアノ疎水的／親水的相互作用の条件を満たす限りにおいてコバラミン，CoA，ビオチンなどが特異的に結合する類似したアンチコドンが選ばれたと説明できるであろことが知られている（文献 14 の Table 1 参照）．このこう．これに関連して，ヒスチジンだけが核酸の塩基かとは今日存在する補酵素が原始的な分子進化のリボザら作られるという，他のアミノ酸とは異質の生合成系イムの補酵素となることも可能であることを示していを持っているが，このことはこのアミノ酸がリボザイる．RNA ワールドの後期には現在の補酵素の構造とムの中で作られたことを示唆しており，興味深い．なっており，タンパク質のほうが補酵素の構造に合わせた可能性が高い． 7 号（7 月）2012〕補酵素の誕生と進化 409 ਛᄩߩႮၮ A A G Phe G C Cys U Tyr Ser A Trp C U A Leu G His Pro Arg C 3ƍ G Gln U A Asp Val Ala Gly C C Glu ⷫ᳓ᕈ G ᧃ┵ߩႮၮ ᧃ┵ߩႮၮ 5ƍ U A Ile G Ser Asn Thr C Met U Ile U Arg Lys ⷫ᳓ᕈ 図 8 アンチコドンで示した遺伝コード表アンチコドン塩基の疎水性が高いと対応するアミノ酸の疎水性も高い．網掛けした部分は最初に成立した代謝経路から作られたと考えられるアミノ酸であり，クラスターを作っている．現在の細菌や植物のアミノ酸合成系におけるアミノ酸間の関連を線と丸で示した．線で結ばれたアミノ酸へは多くの場合アンチコドンを 1 塩基だけ置換することで変わりうることに注意．アスパラギン酸のβ-カルボキシル基が高エネルギーリン酸結合を作ったものはアンモニアの供与を受けてアスパラギンを生成する一方，還元されて生じたアスパラギン酸セミアルデヒドからリシンが合成される．アスパラギン酸セミアルデヒドがさらに還元されたホモセリンからトレオニンとメチオニンが作られる．また，トレオニンからイソロイシンが作られる．グルタミン酸からグルタミルリン酸が生成し，これがアンモニアの供与を受けるとグルタミンを生成し，また還元されるとグルタミン酸セミアルデヒドとなり，これからアルギニンとプロリンが作られる．アラニンはピルビン酸，オキサロ酢酸を介してアスパラギン酸と，ピルビン酸を介してバリンと，それぞれつながる．バリンからロイシンが作られる．アスパラギン酸とグルタミン酸はアミノ基を交換し合う．表の上部には糖代謝の中間体から作られるアミノ酸群が位置している．セリンは 3-ホスホグリセリン酸から作られるが，最初に成立した代謝経路で作られたグリシンから C1 化合物の転移を受けることでも生成する．セリンのコドンがこのように分かれて存在するのは異なる代謝経路による生合成系を持っていることを反映しているのかもしれない． 10．おわりにという質的な変化をもたらしたと考えるわけである．この考え方はまさに本稿で説明したシナリオの基本で今日の生命の起源の探究の門戸を開いたのは Oparin あり，今日ではその質的な変化のしくみが RNA ワーである．1924 年に Oparin が提出した考え方は，前生ルドを中心として詳細に説明されるようになって来て物的合成によって存在した分子を濃縮するような構造いる．さらに Oparin はそのような前生物的合成を可能体が出現し，取り込んだ分子をつなぎ合わせ，自然淘にする原始の大気は還元的なものであると考えた．そ汰に生き残ることによって最初の生命が成立したといして 1953 年に Miller は Oparin の考えに基づき，H2，うものであった 24）．すなわち，生合成経路が先に成立 H2O，CH4，および NH3 を閉じ込めたガラス容器の中する必要がなく，化学進化の量的な蓄積が生命の誕生で放電を行い，アミノ酸の生成を観察した 25）． 410 林秀行〔ビタミン 86 巻今日の地球科学者は，原始の地球の大気は Miller の化還元補酵素にその機能の多くを譲ることになった用いたガスよりも酸化的な状態であり，N2，CO2，が，現在も鉄 - 硫黄クラスターとしてタンパク質の中 H2O，および CO を主体とし，海底火山の噴火口のよに残っている．したがって，補因子としては鉄 - 硫黄うな場所で生じる還元的なガス H2S，CH4，および H2 クラスターが最初のものであると考えられる 27）．これとの間の反応を通じてエネルギー獲得と炭素骨格の合らを含め，コバラミン，ビオチンなど他の多くの補酵成がなされたと考えている（2. で詳述）．ところが実は素の進化についても興味深い事柄が多く存在し，これ Miller 自身，未発表ながら 1958 年に H2S，CH4，NH3，からも見つかっていくことであろう．それらについておよび CO2 を含む混合ガスでの実験を行っていた．こ稿を改めて紹介したい．の実験は 2011 年に再現され 26），含硫アミノ酸の生成のみならずγ-アミノ酪酸などの収量が増大したこと Key Words：coenzyme, evolution, prebiotic synthesis, が観測され，前生物的合成における H2S の重要な役割 ribozyme, nucleotide が再認識された．このように，前生物的合成の時代に起こったことは Department of Chemistry, Osaka Medical College かなり想像できるようになってきている．しかし，そ Hideyuki Hayashi れらの前生物的合成経路がそのまま現在の生物に生き大阪医科大学化学残っているわけではなく，むしろ全く別と言ってよい林秀行合成経路に置き換わっている．Wood-Ljungdahl 経路を中心とすると考えられる初期の代謝経路から出発し，その代謝中間体を組み合わせて新たな物質を生み出す文献と同時に，既に前生物的合成によって存在している物質についても，初期の代謝経路の中間体から安定して 1）Kuhn, H. (1972) Self-organization of molecular systems and evo- 供給する経路を作りだし，物質の合成経路全体を書き lution of the genetic apparatus. Angew. Chem. Int. Ed. 11, 798- 換えて来たと考えられる．すなわち，最初に CoA，チアミン二リン酸といったものが RNA ワールドにおける初期の代謝経路とともに出来上がり，その後の代謝経路の発展，RNA 生物の進化に伴い，GTP からテト 820 2）White, H. B. (1976) Coenzymes as fossils of an earlier metabolic state. J. Mol. Evol. 7, 101-104 3）Eakin, R. E. (1963) An approach to the evolution of metabolism. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 49, 360-366 ラヒドロプテリン類が作られて C 1 化合物の代謝が円 4）Brack, A., and Orgel, L. E. (1975) Beta structures of alternating 滑になった．また，アミノ酸とケト酸の間で直接的に polypeptides and their possible prebiotic signi¿cance. Nature 256, 行われていたアミノ基転移がピリドキサールリン酸を 383-387 仲介するようになり，この補酵素の登場によってアミ 5）Fuchs, G. (1989) Alternative pathways of autotrophic CO2 ¿xa- ノ基転移が効率化されただけでなく，アミノ酸の多様 tion. In Autotrophic bacteria (Schlegel, H.G. & Brown, B. eds.), な反応が可能となり，アミノ酸の合成・分解を革命的に変えた．このように見てくると，進化は「行き当たりばった pp. 365-382, Science Tech Publishers, Madison 6）Martin, W., and Russell, M. J. (2007) On the origin of biochemistry at an alkaline hydrothermal vent. Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci. 362, 1887-1925 り」と言いながらも，偶然の関与するところは意外に 7）Schulte, M. D., and Rogers, K. L. (2004) Thiols in hydrothermal 少なく，それぞれの補酵素の構造も必然の所産のよう solution: standard partial molal properties and their role in the or- に見えてくる．宇宙に存在する地球以外の生命も，地 ganic geochemistry of hydrothermal environments. Geochim. Co- 球と驚くほど似たものになっているのではないかとい schim. Acta 68, 1087-1097 う想像がふくらむ．本稿ではピリジンヌクレオチドの合成については紹介したが，それがどのような形で代謝に登場したかについてはまだ不明な点が多い．フラビン補酵素につい 8）Russell, M. J., and Martin, W. (2004) The rocky roots of the acetyl-CoA pathway, Trends Biochem. Sci. 29, 358-363 9）Ownby, K., Xu, H., and White, R. H. (2005) A Methanocaldococcus jannaschii archaeal signature gene encodes for a 5-formaminoimidazole-4-carboxamide-1-beta-D-ribofuranosyl 5’-monophos- ても同様である．最初に成立した代謝経路でのアセチ phate synthetase. A new enzyme in purine biosynthesis. J. Biol. ルチオエステルの形成において，FeS が H2 から CO2 Chem. 280, 10881-10887 への電子移動の仲介をしていた．FeS はその他の酸化 10）Miller, S. L., and Schlesinger, G. (1993) Prebiotic syntheses of 還元の補因子としても機能していたであろう．後に酸 vitamin coenzymes: I. Cysteamine and 2-mercaptoethanesulfonic 7 号（7 月）2012〕補酵素の誕生と進化 acid (coenzyme M). J. Mol. Evol. 36, 302-307 411 52, 73-77 11）Miller, S. L., and Schlesinger, G. (1993) Prebiotic syntheses of 20）Sakuraba, H., Tsuge, H., Yoneda, K., Katunuma, N., and Ohshi- vitamin coenzymes: II. Pantoic acid, pantothenic acid, and the ma, T. (2005) Crystal structure of the NAD biosynthetic enzyme composition of coenzyme A. J. Mol. Evol. 36, 308-314 12）Bishop, J. C., Cross, S. D., and Waddell, T. G. (1997) Prebiotic transamination. Orig. Life Evol. Biosph. 27, 319-324 13）Austin, S. M., and Waddell, T. G. (1999) Prebiotic synthesis of vitamin B6-type compounds. Orig. Life Evol. Biosph. 29, 287-296 14）Aylward, N., and Bo¿nger, N. (2006) A plausible prebiotic synthesis of pyridoxal phosphate: vitamin B6 -A computational study. Biophys. Chem. 123, 113-121 15）Dowler, M. J., Fuller, W. D., Orgel, L. E., and Sanchez, R. A. (1970) Prebiotic synthesis of propiolaldehyde and nicotinamide. Science 169, 1320-1321 16）Aylward, N. (2006) An ab initio computational study of thiamin synthesis from gaseous reactants of the interstellar medium. Biophy. Chem. 121, 185-193 quinolinate synthase. J. Biol. Chem. 280, 26645-26648 21）Szathmáry, E. (1999) The origin of the genetic code: amino acids as cofactors in an RNA world. Trends Genet. 15, 223-229 22）Jungck, J. R. (1978) The genetic code as a periodic table. J. Mol. Evol. 11, 211-224 23）Shimizu, M. (1982) Molecular basis for the genetic code. J. Mol. Evol. 18, 297-303 24）Oparin, A.I. (1924) Proiskhozhedenie Zhizni, Moskovskii Rabochii, Moscow (Reprinted and translated in Bernal, J.D. (1967) The origin of Life, Weidenfeld and Nicolson, London) 25）Miller, S. L. (1953) A production of amino acids under possible primitive earth conditions. Science 117, 528-529 26）Parker, E. T., Cleaves, H. J., Dworkin, J. P., Glavin, D. P., Callahan, M., Aubrey, A., Lazcano, A., and Bada, J. L. (2011) Primor- 17）Powner, M. W., Gerland, B., and Sutherland, J. D. (2009) Synthe- dial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S- sis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausi- rich spark discharge experiment. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. ble conditions. Nature 459, 239-242 18）林秀行（2009）ピリミジンリボヌクレオチドの前生物的合成．ビタミン 83, 621-623 19）Cleaves, H. J., and Miller, S. L. (2001) The nicotinamide biosynthetic pathway is a by-product of the RNA world. J. Mol. Evol. 108, 5526-5531 27）Holliday, G. L., Thornton, J. M., Marquet, A., Smith, A. G., Rébeillé, F., Mendel, R., Schubert, H. L., Lawrence, A. D., and Warren, M. J. (2007) Evolution of enzymes and pathways for the biosynthesis of cofactors. Nat. Prod. Rep. 24, 972-87