今日の話題

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726 化学と生物 Vol. 53, No. 11, 2015

キチンオリゴ糖は受容体のサンドイッチ型ダイマー形成を介して植物免疫を活性化する

糖鎖を表と裏から認識するユニークな受容体活性化機構

菌類の細胞壁由来の代表的なMAMP（Microbe-Asso- ciated Molecular Pattern）であるキチンの断片（キチンオリゴ糖）は，イネやシロイヌナズナをはじめとする多くの植物の防御応答を誘導する．また，その受容にかかわる分子として，原形質膜に局在する2種類のlysin motif（LysM）型タンパク質，CEBiP（Chitin Elicitor Bind ing Protein）とCERK1（Chitin elicitor receptor ki- nase 1）が同定されている⁽¹⁾．イネにおいては，キチンオリゴ糖に特異的に結合するGPIアンカー型タンパク質であるOsCEBiPが，受容体キナーゼ型分子OsCERK1 とリガンド依存的に複合体を形成することにより，下流のシグナル伝達系を活性化することが示されている．一方，シロイヌナズナでは，AtCERK1が直接キチンと結合する能力をもつこと，キチンオリゴ糖と結合した細胞外ドメインの結晶構造が報告されていること⁽²⁾，OsCE- BiPのホモログであるAtCEBiP（LYM2）がキチン応答に関与しないこと^(3, 4)などから，AtCERK1単独でリガンド受容とシグナル伝達を行っていると考えられてきた．しかし最近，シロイヌナズナの別のLysM型受容体キナーゼLYK5が主要なキチン結合分子であり，LYK5 とAtCERK1が複合体を形成してシグナル伝達を行っているとするモデルが提唱されており，これらのモデルの妥当性について今後さらなる検討が必要となっている⁽⁵⁾．

これまでわれわれはイネ培養細胞を用いた解析から，

ある鎖長以上のキチンオリゴ糖（七量体や八量体）が nMオーダーという低濃度で防御応答を誘導すること，

またキチンオリゴ糖の脱アセチル体ではこうした応答が消失することを報告してきた⁽¹⁾．しかし，これまでのところ，キチンオリゴ糖がどのようにして受容体を活性化しているのか，また，どうして特定のサイズ以上のキチンオリゴ糖が必要なのかについては不明であった．こうした疑問に答えるため，最近われわれはイネキチン受容体であるOsCEBiPとキチンオリゴ糖の相互作用に関して詳細な解析を行った．OsCEBiPの細胞外領域には，

キチンとの結合に関与すると推測される3個のLysM構造が存在しているが，これらのLysMをそれぞれ欠失させた分子，あるいは，キチン結合性をもたないシロイヌナズナのCEBiP型分子の対応するLysMと入れ替えた分子を用いた実験の結果，細胞外ドメインの中央部に位置するLysM（LysM1）がキチンの結合に重要であることを見いだした⁽⁶⁾．この結果は，シロイヌナズナAt- CERK1細胞外ドメインのX線結晶構造に基づくOsCE- BiPのモデリングとキチンオリゴ糖とのドッキングシミュレーションによっても支持された．一方，この LysM1を含むOsCEBiPの細胞外ドメインを大腸菌で発現させ，キチンオリゴ糖との相互作用をSTD（Satura- tion Transfer Diﬀerence）-NMRによって解析することにより，エピトープマッピングを行った．その結果，キチン八量体の両端を除く6個の -アセチルグルコサミン残基のアセチル基が，受容体タンパク質との結合に強く関与することが明らかになった．

キチンは2回らせん構造をとることが知られており，

その -アセチルグルコサミン残基のアセチル基の配向

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化学と生物 Vol. 53, No. 11, 2015

は隣接する糖残基とは逆向きになっている．このキチンの構造と，ドッキングシミュレーションでLysM1部分に3個の -アセチルグルコサミン残基が結合していたことを考え合わせると，上記のエピトープマッピングの結果は，1分子のキチンオリゴ糖に2分子のOsCEBiPが両側からサンドイッチ状に結合していることを示唆するものと考えられた（図

1

_a）．このモデルをさらに確認するため，われわれはグルコサミン残基と -アセチルグルコサミン残基が交互に

β

1, 4結合したユニークな八量体

（N-NA）4(7)を用いた実験を行った．このオリゴ糖では，

アセチル基が分子の片側のみに配向するため，上記のモデルではOsCEBiPと相互作用しても二量体形成は誘導できないと考えられる（図1b）．実際に（N-NA）4は，

OsCEBiP細胞外ドメインの二量体形成を誘導せず，また，イネ培養細胞におけるキチン誘導型活性酸素の生成も誘導しなかった．さらに，（N-NA）4は（GlcNAc）8による活性酸素の生成を阻害した⁽⁶⁾．これらの結果は，上記のサンドイッチモデルをよく裏づけるものであった．

また，このモデルではなぜ七量体や八量体といったサイズのキチンオリゴ糖が強い生物活性を示すのかも理解できる（両端を除く分子内にサンドイッチ型相互作用に必要な数の -アセチルグルコサミン残基＝アセチル基をもっている）．実際にはこうしたOsCEBiPの二量体形成が，受容体様キナーゼOsCERK1との受容体複合体形成

とシグナル伝達起動につながると想定されるが，この過程の詳細は今後の課題として残されている．キチン受容体を介した植物免疫活性化機構に関しては，最近，イネおよびシロイヌナズナのキチン受容体下流のシグナル伝達機構の解析が精力的に行われ，重要な知見が明らかになりつつある^(8, 9)．また，AtCERK1/OsCERK1ノックアウト植物を用いた解析から，CERK1がバクテリアの細胞壁由来MAMPであるペプチドグリカンに対する防御応答にも関与すること^(10, 11)，さらに，これらの防御応答と一見相反する菌根菌との共生応答にもOsCERK1 が寄与することなどが明らかになっている⁽¹²⁾．今後，

OsCERK1を含めたLysM受容体がどのように防御および共生応答にかかわるリガンドの認識・受容を行っているのか，また，どのようにして防御と共生という相反する応答系の制御を行っているのかが明らかにされることが期待される．

1) 賀来華江，新屋友規，渋谷直人：化学と生物，50, 52

(2012).

2) T. Liu, Z. Liu, C. Song, Y. Hu, Z. Han, J. She, F. Fan, J.

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3) T. Shinya, N. Motoyama, A. Ikeda, M. Wada, K. Kamiya, M. Hayafune, H. Kaku & N. Shibuya: , 53, 1696 (2012).

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, 110, 9166 (2013).

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12) K. Miyata, T. Kozaki, Y. Kouzai, K. Ozawa, K. Ishii, E.

Asamizu, Y. Okabe, Y. Umehara, A. Miyamoto, Y. Kobae 図1■イネキチン防御応答系の活性化機構の概略図

（a）2分子のOsCEBiPがキチン八量体（GlcNAc）8の両側からサンドイッチ型に結合することにより，受容体キナーゼOsCERK1との複合体が形成され，防御応答シグナル伝達系を起動する．（b）

グルコサミン残基と -アセチルグルコサミン残基が交互にβ1,4結合したユニークな八量体（ -NA）4は，OsCEBiPと結合するが二量体を形成できず，キチン防御応答系を起動することができない．

Hayafuneらの論文⁽⁶⁾ より転用，一部改変．

今日の話題

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728 化学と生物 Vol. 53, No. 11, 2015

: , 55, 1864 (2014).

（賀来華江，渋谷直人，明治大学農学部生命科学科）

プロフィル

賀来華江（Hanae KAKU）

＜略歴＞大阪市立大学生活科学研究科博士後期課程修了（学術博士），ミシガン大学医学部博士研究員，科学技術庁特別研究員，農業生物資源研究所主任研究官を経て，2005年明治大学農学部生命科学科准教授，2011年同教授，現在に至る＜研究テーマと抱負＞MAMPsを介する植物免疫系のメカニズムを解明し，この基礎研究に基づいて世界規模に起こる食糧問題の解決に貢献したい＜趣味＞美しい風景・空間・

絵・建築物を鑑賞すること，および物語が感じられる美しい石を集めること

渋谷直人（Naoto SHIBUYA）

＜略歴＞1970年東京教育大学大学院農学研究科修士課程修了，学術博士，農水省食品総合研究所，同農業生物資源研究所を経て2002年より明治大学農学部生命科学科教授＜研究テーマと抱負＞植物のパターン認識受容体を介した防御応答機構の解析．

四半世紀以上前に始めた仕事が共同研究者たちの努力で大きく開花している．今後，

共生を含めた植物・微生物相互作用の研究がどのように展開していくか興味が尽きない＜趣味＞（昔）山登り，スキー（今）名所・旧跡・温泉めぐり