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化学と生物 Vol. 53, No. 11, 2015
古くて新しい植物の O- 結合型糖タンパク質の世界
生合成の鍵となる糖転移酵素群がついに解明
タンパク質の糖鎖修飾には -結合型と -結合型とが 知られているが，基本的な生合成のしくみが動植物間で 類似している -結合型に対して， -結合型糖鎖は最初に 付加される糖とアミノ酸の組み合わせが大きく異なる．
ヒトやマウスの -結合型糖鎖では，セリン（Ser）また はスレオニン（Thr）の水酸基に -アセチルガラクトサ ミンが付加するのが一般的であるのに対し，植物ではヒ ドロキシプロリン（Hyp）にL-アラビノース（L-Ara）が 付 加 する例や，HypまたはSerにD-ガラクトース（D- Gal）が付加する例が広く知られている．こうした植物 特異的な -結合型糖タンパク質の研究の歴史は古く，そ の始まりは今から50年ほど昔にまでさかのぼる．
植物における -結合型糖タンパク質の代表例の一つ は，エクステンシンである．エクステンシンは，1960 年代に植物培養細胞の細胞壁画分に発見された糖タンパ ク質であり，Hyp残基には直鎖1 〜 4残基のL-Araが，
Ser残基には1残基のD-Galが付加している(1)．シロイヌ ナズナでは65種類のエクステンシンが知られており，
その一つEXT3の欠損株では，細胞壁の形成異常のため に根や葉が極端な奇形を示す．エクステンシンは，重量 の50％以上を占める糖鎖の立体的な効果によって棒状 のコンフォメーションをとり，さらに互いにチロシン残 基を介して分子間架橋している．この網目状の構造がセ ルロース微繊維の足場として細胞壁の形成に不可欠な役 割を果たしていると考えられている(1)．
また，細胞間シグナリングを担う短鎖ペプチドホルモ ンにも -結合型糖鎖修飾されるものが見つかっている．
細胞伸長にかかわるPSY1, 茎頂メリステムの幹細胞数 を制御するCLV3, 根粒数の制御に関与するCLE-RSなど が代表的な例である．これらのペプチドでは，Hyp残 基の一つに直鎖3残基のL-Ara糖鎖が付加しており，糖 鎖の存在が活性に重要である(2)．
-結合型糖タンパク質のもう一つの大きなグループ は，古くから乳化剤として用いられてきたアラビアガム の成分でもあるアラビノガラクタンプロテイン（AGP）
である．AGPは，D-GalやL-Araに富んだ複雑な枝分か れ構造の糖鎖をもち，糖鎖部分が重量の90％程度にも なる(3)．AGP生合成の鍵となるのはHyp残基にD-Galが
付加する反応であり，このD-Galを起点としてさらに糖 鎖が枝分かれしながら伸長することで，巨大な分子とな る．シロイヌナズナには85種類のAGPが見いだされて おり，それらの欠損はさまざまな形態異常を引き起こす ことから，AGPは植物の生長や分化に重要な機能をも つと考えられている．
このように，長い研究の歴史をもつ植物の -結合型 糖タンパク質であるが，それぞれの糖鎖修飾の第1段階 を担う酵素，すなわちHyp -アラビノシル化，Hyp - ガラクトシル化，およびSer -ガラクトシル化にかかわ る糖転移酵素群が，ここ数年の間に立て続けに同定され 注目を集めている（表1）．
エクステンシンや短鎖ペプチドホルモンのHyp残基 にL-Araを転移する酵素，Hyp -arabinosyltransferase
（HPAT）は，2013年に筆者らのグループが，シロイヌ ナズナ培養細胞由来の膜画分から精製することに成功し た(4)．HPATはゴルジ体に局在する約42 kDの膜タンパ ク質である．シロイヌナズナに 遺伝子は3種類存 在し，それらの2つを欠損させると，その組み合わせに よって胚軸の徒長，細胞壁の薄化，花成の促進，葉の老 化の促進，花粉管伸長異常などのさまざまな表現型が見 られる．一方，三重変異株は花粉管伸長不全のために得 られていない．興味深いことに，欠損株が根粒過剰着生 の形質を示すが機能は未知であったエンドウのNOD3や クローバーのRDN1が，1次配列の類似性からHPATオ ルソログであることが明らかとなった．この事実は，根 粒菌の着生により根粒がある程度形成されると，アラビ ノシル化されたペプチドCLE-RSが根粒形成の抑制シグ ナルとして分泌され，根粒数が一定に保たれるというし くみを解き明かした最近の報告を裏づけるものである(5)．
また，エクステンシンのSer残基にD-Galを転移する 表1■同定された植物の -結合型糖転移酵素群
糖転移反応 酵素名 細胞内
局在 文献 Hyp -アラビノシル化 HPAT1, HPAT2, HPAT3 ゴルジ体 (4) Ser -ガラクトシル化 SGT1 小胞体 (6) Hyp -ガラクトシル化 GALT2 小胞体 (7) HPGT1, HPGT2, HPGT3 ゴルジ体 (8)
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酵 素，Ser -galactosyltransferase（SGT） は，2014年 にSaitoらによって藻類であるクラミドモナスの膜画分 から精製された(6)．SGTは91 kDの膜タンパク質であ り，主に小胞体に局在する．シロイヌナズナのSGTは1 遺伝子しかなく，その欠損株では，野生型よりもやや根 が長く，葉も大きくなるという表現型が観察されてい る．この表現型は，エクステンシンの機能低下による細 胞壁の緩みによるものと考えられているが，HPAT欠 損株の表現型よりも軽微で質的にも違うことから，エク ステンシンの機能に対する2種類の糖鎖修飾の寄与はか なり異なるようである．
一方，AGPのHyp残基にD-Galを転移する酵素，Hyp -galactosyltransferase（HPGT）は，当初，既知のガラ クトース転移酵素群の配列上の特徴に基づいたバイオイ ンフォマティクスにより候補の絞り込みが行われ，
Basuらにより2013年にそれらの一つであるGALT2に 微弱ながらも酵素活性があることが示された(7)．しか し，シロイヌナズナGALT2の欠損株にはまだ相当量の ガラクトース転移酵素活性が残っており，表現型も観察 されなかったため，主要な酵素はまだほかに存在するこ とが予測されていた．このような状況のなか，2015年 に筆者らは，シロイヌナズナ培養細胞由来の膜画分から 高い酵素活性を示す分子群を精製し，HPGT1, HPGT2 およびHPGT3と名づけた(8)．HPGTはゴルジ体に局在 する膜タンパク質である．HPGTの三重変異株では AGPの糖鎖修飾が著しく減少し，側根や根毛の伸長と 密度増加，根端細胞の肥大，植物体の矮化，稔性の低下 など，いくつかのAGP欠損株と類似した多面的な表現 型が観察されたことから，HPGTこそがAGP生合成に おいて主要な酵素であると考えられる．
これらHyp -アラビノシル化，Hyp -ガラクトシル 化，およびSer -ガラクトシル化にかかわる糖転移酵素 群の同定がもたらすインパクトは多岐にわたる．たとえ ば，これらの欠損株の表現型は，それぞれの糖鎖修飾が 非常に低下している状態を反映しており，これを手がか りに今まで遺伝子重複のために隠れていた -結合型糖 タンパク質の機能が見つかる可能性がある．また近年，
植物培養細胞を用いた抗体やサイトカインなどの生産が 試みられているが，それには植物特有の -結合型糖鎖 の付加を抑制する技術の開発が必要不可欠である．世界 的に花粉症患者が多いヨモギやブタクサなどの花粉のア レルゲンが -結合型糖鎖であるという報告もある(9〜11)．
同定された -結合型糖転移酵素群の遺伝子情報は，基礎 研究のみならず応用面にも今後大きく貢献するだろう．
1) D. T. Lamport, M. J. Kieliszewski, Y. Chen & M. C. Can-
non: , 156, 11 (2011).
2) Y. Matsubayashi: , 65, 385 (2014).
3) M. Ellis, J. Egelund, C. J. Schultz & A. Bacic:
, 153, 403 (2010).
4) M. Ogawa-Ohnishi, W. Matsushita & Y. Matsubayashi:
, 9, 726 (2013).
5) S. Okamoto, H. Shinohara, T. Mori, Y. Matsubayashi &
M. Kawaguchi: , 4, 2191 (2013).
6) F. Saito, A. Suyama, T. Oka, O. T. Yoko, K. Matsuoka, Y.
Jigami & Y. I. Shimma: , 289, 20405 (2014).
7) D. Basu, Y. Liang, X. Liu, K. Himmeldirk, A. Faik, M.
Kieliszewski, M. Held & A. M. Showalter: , 288, 10132 (2013).
8) M. Ogawa-Ohnishi & Y. Matsubayashi: , 81, 736 (2015).
9) R. Leonard, N. Wopfner, M. Pabst, J. Stadlmann, B. O.
Petersen, J. O. Duus, M. Himly, C. Radauer, G. Gadermai- er, E. Razzazi-Fazeli : , 285, 27192 (2010).
10) L. Brecker, D. Wicklein, H. Moll, E. C. Fuchs, W. M.
Becker & A. Petersen: , 340, 657 (2005).
11) N. Gupta, B. M. Martin, D. D. Metcalfe & P. V. Rao:
, 98, 903 (1996).
（小川（大西）真理，松林嘉克，名古屋大学大学院理学研 究科）
プロフィル
小 川（ 大 西 ） 真 理（ M a r i O G A W A - OHNISHI）
＜略歴＞2001年名古屋大学農学部応用生 物科学科卒業／2003年同大学大学院生命 農学研究科博士前期課程修了／同年同研究 科研究員／2010年基礎生物学研究所研究 員／2013年名古屋大学大学院理学研究科 研究員，現在に至る＜研究テーマと抱負＞
糖鎖修飾ペプチドの機能解析と情報メカニ ズムの解明＜趣味＞子育て，マラソン，ド ライブ，読書，美容
松林 嘉克（Yoshikatsu MATSUBAYASHI）
＜略歴＞1997年名古屋大学大学院生命農 学研究科博士後期課程修了，博士（農学）／
1999年同大学大学院生命農学研究科助 手／2002年同大学大学院生命農学研究科 准教授／2011年基礎生物学研究所教授／
2014年名古屋大学大学院理学研究科教授，
現在に至る＜研究テーマと抱負＞リガン ド̶受容体ペアの同定から植物のかたちづ くりや環境応答のしくみを解き明かす＜趣 味＞純米無濾過生原酒，銀塩写真
Copyright © 2015 公益社団法人日本農芸化学会 DOI: 10.1271/kagakutoseibutsu.53.729
