634 化学と生物 Vol. 52, No. 10, 2014
反応に金属を要求する PLP 酵素
細菌から鳥類まで
アミノ酸は，タンパク質を構成する要素であるのみな らず，生体調節物質としての働きも担う極めて重要な化 合物である．また，タンパク質を構成する20種のL体 アミノ酸以外にも，D体アミノ酸や，非タンパク質性ア ミノ酸，特殊アミノ酸と言われるアミノ酸類もさまざま な生理活性をもつ．たとえば，哺乳類の中枢神経系には
D-セリンが存在し，グルタミン酸受容体の活性を調節し ていることが明らかになっている．これらのアミノ酸の 代謝にかかわる酵素の多くは，ピリドキサール5′-リン 酸（PLP）依存性であり，古細菌から哺乳類に至るま で，すべての生物に存在する．もちろん，ヒトにもこれ らPLP酵素は存在し，GOT（グルタミン酸-オキサロ酢 酸トランスアミナーゼ）
，GPT（グルタミン酸-ピルビン
酸トランスアミナーゼ）などは人間ドックでもお馴染み の検査項目である．PLP酵素は，その立体構造（Folding pattern）の相 違に基づき，5種類の異なるグループ（Fold-type I‒V）
が報告されている（1）
．たとえば，先述のGOT, GPTは
Fold-type Iに，細菌に広く分布するアラニンラセマー ゼはFold-type IIIに分類される．また，大腸菌などの細 菌に存在するD-セリンの脱アミノ化反応を触媒するD-セ リンデヒドラターゼ（DsdA）はFold-type II（図1
B）の酵素であり，セリン／スレオニンデヒドラターゼと呼 ばれるグループに属する（2）
．興味深いことに，異なる
Fold-typeに分類されるPLP酵素間に，立体構造の相同 性は全く認められない．すなわち，それぞれのFold- typeに属するPLP酵素は，異なる祖先タンパク質から独立に進化し，それぞれの機能を獲得してきたと考えら れる．
PLP酵素は，上述のように重要な機能をもつものが 多くあり，古くから盛んに研究されている一方で，近年 では新規PLP酵素の報告は少なくなっている．そのよ うな状況のなか，筆者らは非タンパク質性アミノ酸であ るD-スレオ-3-ヒドロキシアスパラギン酸（D-THA）を 基質としてスクリーニングを行い，グラム陰性土壌細菌 である sp. HT23より新規な酵素D-スレオ-3-ヒド ロキシアスパラギン酸デヒドラターゼを発見した（D- THA DH）（3）
．本酵素は
D-THAの脱アミノ化反応を触 媒し（図1A），その触媒反応の共通性から，Fold-type
IIである細菌由来D-セリンデヒドラターゼのホモログで あるだろうと推測された．ところが実際にアミノ酸配列 を決定してみると，細菌のアラニンラセマーゼと同じ Fold-type IIIのPLP酵素であることが明らかになった．決定した一次構造を元にデーターベース検索を行うと，
多数のグラム陰性細菌のputative alanine racemaseが ヒットしたが，機能が確認されているものはほとんどな く，真核生物である出芽酵母（4）（
）およびニワトリ（5）由来のD-セリンデヒドラターゼ
（DSD）と30%程度のアミノ酸配列相同性を示した．こ れら真核生物のDSDは，亜鉛依存性のPLP酵素であり，
細菌由来のDsdAとは一次構造も反応機構も異なる．ニ ワトリ酵素は立体構造解析も行われ（図1C）
，亜鉛が関
与する反応機構が推定されている（6）．
D-THA DHが本 来含有している金属が何かは不明であるが，少なくとも今日の話題
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亜鉛を含むことを確認している（和田未発表データ）
．
D-THA DHは酵母の酵素と異なり，亜鉛以外の2価金属 でも活性を発揮するなど，興味深い特徴をもつが，基本 的な反応機構は酵母やニワトリ由来のDSDと類似して いると考えられた．しかし，本酵素はD-セリンを良い基 質とせず， sp. HT23中においてD-THAで誘導さ れることなどから，DSDではないと考えられる．また，
これらの酵素は同じく反応に2価金属を要求する細菌由 来のD-スレオニンアルドラーゼとも相同性を示した（7）
．
これらのFold-type IIIのDSD様PLP酵素は細菌から鳥 類まで分布しているが，古細菌，植物，昆虫，そしてな ぜか哺乳類には存在していない（8）．一方，筆者らは
L-ス レオ体の3-ヒドロキシアスパラギン酸（L-THA）に作用 する酵素（L-THA DH）も細菌（9）と出芽酵母（10）に見い だしているが，こちらはDsdAと同様にセリン／スレオ ニンデヒドラターゼグループに属するFold-type IIの酵 素であった．まとめると，Fold-type IIIに属するPLP酵素には，以 前から知られていた細菌のアラニンラセマーゼや真核生 物のオルニチンデカルボキシラーゼに加えて，真核生物
のDSD，原核生物のD-THA DH，D-スレオニンアルド ラーゼが含まれることが明らかとなった．比較的新しく 見つかったこれらの酵素は，由来となる生物種は細菌，
真菌，鳥類とさまざまだが「D体のヒドロキシアミノ酸 に作用する」「反応に2価金属を要求する」という特徴 がある．データーベース上のアノテーションに“puta- tive alanine racemase”で は な く“metal-activated PLP enzyme”と表記している機能未知タンパク質も増えて きたようだ．PLP酵素は同じFold-typeでも，ラセマー ゼだったりトランスアミナーゼだったりと，触媒する反 応がさまざまであり，一次構造から機能を予測すること が難しい．今回紹介したD-THA DHもニワトリDSD も，スクリーニングや酵素精製といった古典的な方法で 取得されている．アミノ酸変換酵素は「やりつくされた 感」があるが，バイオインフォマティクス全盛の今日に おいても，旧来の方法論がまだまだ必要と感じた次第で ある．これらの酵素の反応機構などの詳細な解析は，
PLP酵素に関する理解を深めるだけでなく，D-アミノ酸 が関与する疾患の治療薬の開発などにもつながると思わ れる．今後の研究の発展に期待したい．
図1■デヒドラターゼ反応とそれらを触 媒する酵素の立体構造
（A）D-スレオ-3-ヒドロキシアスパラギン 酸デヒドラターゼ（D-THA DH）反応と
D-セリンデヒドラターゼ（DSD）反応．
ともにヒドロキシアミノ酸の脱アミノ化 反 応 を 触 媒 す る．（B） 大 腸 菌 由 来 の DsdAタンパク質（2），（C）ニワトリ由来 のDSDタンパク質（6）活性中心近傍にPLP 以外に亜鉛イオンが観察される．両者は 全く同一の反応を触媒するが，一次構造 の相同性も，立体構造の相同性もない．
今日の話題
636 化学と生物 Vol. 52, No. 10, 2014 1) 吉村 徹：生化学，80, 324 (2008).
2) D. V. Urusova : , 1824, 422
(2012).
3) T. Maeda, Y. Takeda, T. Murakami, A. Yokota & M.
Wada: , 148, 705 (2010).
4) T. Ito, H. Hemmi, K. Kataoka, Y. Mukai & T. Yoshimura:
, 409, 399 (2008).
5) H. Tanaka, A. Yamamoto, T. Ishida & K. Horiike:
, 143, 49 (2008).
6) H. Tanaka, M. Senda, N. Venugopalan, A. Yamamoto, T.
Senda, T. Ishida & K. Horiike: , 286, 27548 (2011).
7) J.-Q. Liu, T. Dairi, N. Itoh, M. Kataoka, S. Shimizu & H.
Yamada: , 273, 16678 (1998).
8) 田中裕之，山本 篤，石田哲夫，堀池喜八郎：蛋白質核 酸酵素，54, 1190 (2009).
9) T. Murakami, T. Maeda, A. Yokota & M. Wada:
, 145, 661 (2009).
10) M. Wada, S. Nakamori & H. Takagi:
, 225, 189 (2003).
（和田 大
*
1，安武義晃 *
2， *
1 北海道大学大学院農学研 究院，*
2 産業技術総合研究所生物プロセス研究部門）プロフィル
和 田 大（Masaru WADA）
＜略歴＞1991年京都大学農学部農芸化学 科卒業／1993年同大学大学院農学研究科 修士課程修了／同年サッポロビール株式会 社 醸 造 技 術 研 究 所／1995年 同 社 退 社／
1997年京都大学大学院農学研究科博士課 程中退／同年福井県立大学生物資源学部助 手／2000 年 The Scripps Research Insti- tute訪問研究員／2003年北海道大学大学 院 農 学 研 究 科 助 教 授／2007年 よ り 現 職
＜研究テーマと抱負＞微生物や酵素を用い た有用物質の生産．いままで誰も使ってい なかった餌（スクリーニング基質）で未知 の大物（新規な酵素）を釣り上げたい＜趣 味＞料理
安武 義晃（Yoshiaki YASUTAKE）
＜略歴＞1999年北海道大学理学部高分子 機能学科卒業／2004年同大学大学院理学 研究科生物科学専攻博士後期課程修了（博 士（理学））／2005年同大学産学官連携研 究員／同年産業技術総合研究所ゲノムファ クトリー研究部門／2010年同生物プロセ ス研究部門主任研究員＜研究テーマと抱 負＞タンパク質の高次構造・構造機能相 関・構造のダイナミクス・タンパク質の高 機能化，機能改変，および応用利用に向け た研究＜趣味＞ギター，ワイン，昆虫写真 Copyright © 2014 公益社団法人日本農芸化学会
