ピロリシン

ピロリシン（pyrrolysine, 略号：Pyl または O）は、生物が遺伝情報に基づいてタンパク質を合成する際に組み込まれる、特異なアミノ酸の一つです。

多くの生物において、タンパク質を構成するアミノ酸は20種類とされていますが、ピロリシンはセレノシステイン（21番目）に次ぐ「22番目のアミノ酸」として認識されています。このアミノ酸は、全ての生物に普遍的に存在するわけではなく、特定のメタン産生古細菌や、一部の脱塩素化細菌といった限られた微生物で発見されています。

構造的に見ると、ピロリシンは基本的な骨格においてリシンと類似しています。しかし、リシンの側鎖の末端に4-メチルピロリン-5-カルボン酸という特殊な環状構造がアミド結合によって付加している点が決定的な違いです。このピロリン環を持つ側鎖が、ピロリシンの独自の機能発揮に関わっています。

通常のタンパク質を構成するアミノ酸がそれぞれ特定のアミノ酸コドンによって指定されるのと同様に、ピロリシンも遺伝的にコードされます。その際、通常は翻訳の終了を指示する終止コドンの一つであるUAGが、ピロリシンの指定に使用されるという非常に珍しい機構をとります。このような特殊な翻訳を可能にするためには、細胞内に特別な仕組みが必要です。具体的には、ピロリシンに対応するCUAというアンチコドンを持つ特殊なtRNA（pylT遺伝子によってコードされる）と、ピロリシンをそのtRNAに結合させる専用のアミノアシルtRNAシンセテース（pylS遺伝子によってコードされるII型シンターゼ）が存在します。さらに、UAGコドンの下流に位置するPYLIS配列と呼ばれるステムループ構造が、この特殊な翻訳を誘導する役割を担っていると考えられています。

ピロリシンは、ヒドロキシリシンやメチルリシンなど、いったん翻訳された後に化学修飾を受けて生じるリシン誘導体とは異なり、遺伝子に直接コードされ、リボソーム上で他のアミノ酸とともにタンパク質鎖に組み込まれる点が重要です。

細胞内では、ピロリシンは特定の酵素、特にメチルトランスフェラーゼの活性中心に含まれることがあります。付加されたピロリン環は、活性部位内で比較的自由に回転することができるため、酵素反応において基質となるメチルアミンのメチル基を、補因子であるコリノイドが作用しやすい正確な位置へ配置し、反応を促進する役割を担っていると推測されています。提案されている反応モデルでは、ピロリシンに近接するグルタミン酸残基のカルボキシル基からのプロトンが、ピロリン環のイミン窒素に移動することで隣接する炭素原子が求電子性を持つようになり、メチルアミンからの求核攻撃を受けると説明されています。この反応で生成した正電荷を持つ窒素原子は、脱プロトン化したグルタミン酸と相互作用し、環の配向を変化させてメチルアミン由来のメチル基を補因子のコバルト原子へ受け渡します。最終的に、メチルアミン由来のアンモニアが解離し、ピロリン環は元の状態に戻ります。

ピロリシンの翻訳システムは、一般的なアミノ酸翻訳システムとは独立性が高いため、遺伝子工学や合成生物学の分野において、タンパク質内に非天然アミノ酸を導入するための有用なツールとしての応用が期待されています。

国際的な命名機関である国際純正・応用化学連合（IUPAC）と国際生化学・分子分子生物学連合（IUBMB）の共同委員会は、ピロリシンに対してPylという3文字略号およびOという1文字略号の使用を公式に推奨しています。

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