【解説】
酵 素 の な か に は 二 機 能 性 （bifunctional） 酵 素 と 呼 ば れ る も のがあるが，それらは通常，基質特異性の低い酵素や複数の 活性部位をもつ複数ドメインからなる酵素であり，原則とし
て1つの酵素は1つの反応を触媒すると信じられてきた．し
かし近年，この常識を覆す酵素が発見された．古細菌や好熱 性細菌の糖新生経路で働く酵素フルクトース-1,6-ビスリン酸 ア ル ド ラ ー ゼ ／ ホ ス フ ァ タ ー ゼ は1つ の 活 性 部 位 が「変 身
（metamorphosis）」 し て2つ の 全 く 異 な る 化 学 反 応 を 触 媒 す ることが明らかになった．ここでは，この不思議な酵素が発 見された経緯から，結晶構造解析で解明されたメカニズム， その生物的意義および進化的な位置づけ，そのほかの二機能 性酵素の例について，概説する．
古細菌の中央代謝
リボソーム小サブユニットRNA配列の比較によれ ば，生物は真核生物 （Eucarya）, 真正細菌 （Bacteria）,
古細菌 （Archaea） の3つのドメインに分類される（図 1）．古細菌のなかでも，至適生育温度が80℃以上の超 好熱性古細菌は，特殊な糖代謝経路をもつことが知られ
ている（1, 2）．たとえば， 属および
属は変形 Embden‒Meyerhof‒Parnas （EMP） 経 路と呼ばれる解糖系をもち，そのうち2種類のキナーゼ
（ヘキソキナーゼまたはグルコキナーゼと，ホスホフル クトキナーゼ；PFK）は，ATPではなくADPを用い
る（3, 4）．1990年代後半から2000年代の初頭にかけて古
細菌のゲノム配列が相次いで明らかになったが（5〜7），そ のORFの半分近くが機能未知の遺伝子であり，生育に 必須な中央代謝の鍵酵素のいくつかが「失われている」
ことが問題となった．特に，炭酸ガスのような無機物か ら糖のような有機物を合成できる能力をもつ独立栄養性 の（図1では＊で示した）生物においては，糖新生経路 は必須である．「真の」二機能性酵素の発見は，古細菌 の糖新生経路の鍵酵素の探索が発端となった．
古細菌のフルクトース-1,6-ビスリン酸ホスファター ゼ
解糖系と糖新生系はともに基本的な代謝経路である．
「真の」二機能性酵素の発見とその「変身」のメカニズム
古細菌型フルクトース-1,6-ビスリン酸アルドラーゼ/ホスファターゼ
伏信進矢 * 1 ，西増弘志 * 2 ，若木高善 * 1
Discovery of a “True” Bifunctional Enzyme and Its Mechanism of Metamorphosis : Archaeal Fructose 1,6-Bisphosphate Aldolase/
Phosphatase
Shinya FUSHINOBU, Hiroshi NISHIMASU, Takayoshi WAKA- GI, *1東京大学大学院農学生命科学研究科，*2東京大学大学院理学 系研究科
一般的な解糖系であるEMP経路ではグルコースからピ ルビン酸までの10段階の異化反応のうち3つは不可逆，
そのほかは可逆である．一方，同化系である糖新生系 は，解糖系の逆反応が可能な段階では解糖系と同じ酵素 がかかわるが，不可逆な段階では糖新生専用の酵素が働 く．そのうち，解糖系のフルクトース-6-リン酸 （F6P）
からフルクトース-1,6-ビスリン酸 （FBP） を生成する PFKの段階は，糖新生系ではFBPからF6Pを生成する FBPホスファターゼ （FBPase） が担う（図2）．FBPase は真核生物および真正細菌に幅広く見られるクラスI，
一部の真正細菌に見られるクラスII, IIIの3つのクラス が知られていたが，古細菌ゲノムにはこれらのFBPase は見つかっていなかった．2000年に，超好熱性メタン
生成古細菌 由来のMJ0109タ
ンパク質がFBPaseとイノシトールモノホスファターゼ
（IMPase） 両方の活性をもつと報告された（8）．その立体 構造がヒト由来IMPaseよりもクラスIのFBPaseに似て いたことから，この古細菌型IMPase/FBPaseがこれま で未同定であった古細菌のFBPaseであると提唱され，
後にクラスIV FBPaseと定義された（9）．一方，2002年 には，京都大学のグループにより，嫌気性超好熱性古細
菌 から新たなFBPaseが発
見された（10） （クラスV FBPase）．その基質特異性は厳
密でFBPase活性のみを示し，糖新生に依存した条件で のみ特異的に遺伝子が発現すること，この遺伝子の欠損 株が糖新生条件で生育できないこと，好熱性古細菌を中 心に古細菌全般のゲノムに広く存在することなどから，
ク ラ スV FBPaseが「真 の （ ）」 古 細 菌 型 FBPaseであることが証明されるに至った（11）．
クラスV FBPaseの立体構造
われわれのグループでは，別府温泉より単離された好 酸好熱性通性独立栄養古細菌である
の糖代謝経路の酵素の機能・構造解析を行ってきた．
のもつクラスV FBPase（ST0318タンパク質）
の立体構造をFBPとの複合体として決定したところ，
既知のタンパク質とは異なる新しいフォールドをもつこ 図1■生物の系統樹
リボソーム小サブユニットRNA配列の比較による．太い線は 80℃以上で至適に生育する超好熱性の生物を，＊印は独立栄養性 の生物を示す．
図2■解糖系と糖新生系
ホスホフルクトキナーゼ （PFK）, フルクトース-1,6-ビスホスファ ターゼ （FBPase）, フルクトース-1,6-ビスリン酸アルドラーゼ
（FBPA） が触媒する段階を表す．フルクトース-6-リン酸 （F6P）, フルクトース-1,6-ビスリン酸 （FBP）, グリセルアルデヒド-3-リン 酸 （GA3P）, ジヒドロキシアセトンリン酸 （DHAP）, 無機リン酸
（Pi）
とが明らかになった（12）．クラスI， IV， そして後に立体 構造が決定されたクラスII（13） のFBPaseはいずれも sugar phosphataseまたはcarbohydrate phosphataseと 呼ばれる共通のフォールドをもっている．一方，クラス V FBPaseの立体構造はSCOPデータベース （http://
scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/） で 「 FBPase- like」 と命名された独自のフォールドをもつ．これと似 たフォールドをもつタンパク質は，最初の構造決定から 約8年を経た現在においても，いまだに見つかっていな い．
ST0318は環状の四量体が2つ重なった八量体構造を とっており，二量体の接触面に挟まれた場所が活性部位 である（図3）．ここにFBPと4個のマグネシウムイオ ン （Mg2＋） が結合しており，周囲の残基の変異体の解 析から，FBPase反応の触媒機構が明らかになった．こ れは基本的に，ブタ肝臓（クラスI）FBPaseの反応機 構に類似している（14）．リン酸基のエステル結合の反対 側に，求核攻撃に適した水分子が存在しており，その近 傍のAsp12が一般塩基触媒として働き，この水を活性 化すると考えられた．この「FBPase型」の立体構造 で，どうしても腑に落ちなかった点が1つある．ほかの クラスのFBPaseの活性部位に結合したFBPは必ず環状 のフラノース型であるのに対し，ST0318には直鎖状の FBPが結合していた．溶液中においてFBPは両者の平 衡状態にあるが，大部分は環状として存在し，室温では 直鎖状のFBPはわずか2%ほどしか存在しない（15）．こ
の酵素はなぜ，わざわざ直鎖状のFBPを基質にするの だろうか？
真の二機能性酵素の発見
古細菌の細胞抽出液からはFBPaseだけでなくFBPア ルドラーゼ （FBPA） の活性も検出されることが知られ ていた．FBPAは糖新生系ではFBPaseの1段階前で，
解糖系ではPFKの次の段階で働く（図2）．FBPAには，
シッフ塩基中間体を経るクラスI FBPA（主に真核生物 に見られる）と金属イオンが関与する触媒機構をもつク ラスII FBPA（主に真正細菌とカビに見られる）があ る．古細菌のごく一部では，クラスIA FBPAと呼ばれ るタイプの（シッフ塩基中間体を経る）酵素が見つかっ ていたが（16），大部分の古細菌のゲノムからはFBPAの 遺伝子が見つかっていなかった．特に，独立栄養性の古 細菌ではFBPaseと並んでFBPAの存在は必須であるに もかかわらず，候補に成る遺伝子を推定できなかった．
ドイツのSayとFuchsは，古細菌のFBPAの精製を試 みたところ，酵素活性測定の共役酵素として加えたクラ スV FBPaseがそれ自身でFBPA活性を示すことに気づ いた（17）．すなわち，クラスV FBPaseはFBPA活性も もつ二機能性酵素「FBPアルドラーゼ／ホスファター ゼ （FBPA/P）」だったのである．彼らはさらに，生化 学的な実験から，FBPAの基質であるジヒドロキシアセ トンリン酸 （DHAP） がST0318のLys232にあたる残基 とシッフ塩基を形成することを示した（17）．これは，こ の酵素がクラスI FBPAと同様の分子機構によりアル ドール縮合反応を触媒することを示唆している．しか し，わ れ わ れ が 決 定 し た「FBPase型」 の 構 造 で は，
Lys232は活性部位に結合したFBPからは遠く離れてお り（約17Å），何らかの構造変化が活性部位付近で起こ ることが予想された．
FBPA/Pの「FBPA型」立体構造
われわれはまず，大腸菌組換えタンパク質として調製 したST0318の活性測定を行い，FBPase活性に加えて FBPA活性をもつFBPA/Pであることを確認した．次 に，ST0318をDHAPの存在下で結晶化した．クラスI FBPAなどで前例があるように（18, 19），2つめの基質であ るグリセルアルデヒド3-リン酸 （GA3P） が存在しない ために，反応がシッフ塩基中間体で停止した構造が得ら れることを期待した．幸いにして良質の結晶が得られ，
高い分解能 （1.5Å） の結晶構造を得ることに成功した．
図3■ST0318の八量体構造
FBPase型の構造を示す．八量体のうち1つのプロトマーを濃い灰 色で，FBPとMg2＋ を球で表した．
結晶が得られた段階である程度予想はしていたが，シン クロトロン放射光施設（フォトンファクトリー）のビー ムラインでデータ測定した直後に，リジン残基に結合し たDHAPのシッフ塩基中間体の電子密度を最初に見た ときは，胸が高鳴ったのを覚えている．
今 回 決 定 し た「FBPA型」 と 前 回 決 定 し て い た
「FBPase型」の構造を比較したところ，図3で示したよ うな全体構造（八量体構造）はほぼ同じであり，両者の 違いは活性部位付近に限定されていた．二量体の界面に 存在する活性部位の比較を図4に示す．FBPA型に結合 していたDHAP‒シッフ塩基中間体とFBPase型に結合 していたFBPはほぼ同じ位置に存在していたことから，
2種類の触媒反応が，同一の活性部位で起こることが はっきりと示された．一見して大きな動きは3つのルー プ領域で起こっている．青で表示したLid（ふた）ルー プ，黄色で示したシッフ塩基ループ，ピンクで示したC 末端ループは，FBPA型（図4A）ではシッフ塩基ルー プが中に入ってほかの2つのループが外に開いており，
FBPase型（図4B）ではシッフ塩基ループが外に出てほ かの2つのループが閉じる．これはまるでスイッチが切 り替わるような動きであり，図には示していないが，
ループ領域に存在する残基とその周囲の残基との相互作 用が数多く存在し，それぞれの状態を安定化している．
この動きは，基質の結合や触媒反応の進行に従って移行
していく．
FBPA型の構造では，DHAPがシッフ塩基ループの なかに存在するLys232と共有結合した反応中間体をと らえている．DHAPのC3位のヒドロキシル基はタンパ ク質と3本の水素結合を形成していた．第2の基質であ るGA3PはC3位にカルボニル基をもつことから，これ らの水素結合によりDHAPとGA3Pが識別されている のであろう．シッフ塩基ループにはLys232の3残基と なりにTyr229があり，FBPA型ではこれがDHAPのす ぐ近くに存在していた．後述するように，Tyr229はア ルドラーゼ反応に重要な役割を果たす．
FBPA/Pのアルドラーゼ反応の機構を考えるうえで，
大いに参考になったのが，詳しい研究がなされていたク ラスI FBPAにおける知見である（20, 21）．ST0318とウサ ギ筋FBPAの構造比較をしてみると（図5A, B），前者 は特殊な
β
/α
/β
の3層フォールド，後者は典型的な （α
/β
）8 バレル（TIMバレル）フォールドと全体構造が全く 異なっており，シッフ塩基を形成するリジン残基（ウサ ギ筋FBPAの場合はLys229）の根本（Cα
原子）の位置 は遠くにある．ところが，その側鎖の窒素原子（Nζ
原 子）より先のDHAP‒シッフ塩基中間体の部分はよく重 なり合い（図5C），ウサギ筋FBPAで酸／塩基触媒とし て働くことがわかっているGlu187と同様の位置に，ST0318のTyr229が存在することがわかった．このTyr 図4■（A） FBPA型 の 構 造 と （B）
FBPase型の構造における活性部位 両 方 の 構 造 に 結 合 し て い る3つ の Mg2＋ （Mg2 〜 Mg4） を 緑 色 で，
FBPase型にのみ結合しているMg1 を紫色の球で表した．水分子を赤色 の球で，水素結合を黄色の点線で表 す．FBPase反応で求核攻撃する水を 矢印で示した．FBPA型構造では，C 末端ループの一部，FBPase型構造で はシッフ塩基の一部がそれぞれディ スオーダーしており，それらをルー プと同じ色の点線で表した．
図5■（A） ST0318 （FBPA/P） と
（B） ウ サ ギ 筋FBPA（ク ラ スI FBPA） の 単 量 体 の 全 体 構 造 と，
（C） 両者のDHAP‒シッフ塩基中間 体の重ねあわせ
DHAPおよびそれとシッフ塩基を形 成しているリジン残基をそれぞれ緑 色と黄色で表した．（A） では，Mg2＋
を 緑 色 の 球 で 表 し た．（C） で は，
ST0318をカラーで，ウサギ筋FBPA を灰色で表した．ウサギ筋FBPAの 残基番号は括弧内に記す．
残基はFBPA/Pで高度に保存されており，この残基の 変異体ではFBPA活性が完全に消失したがFBPase活性 は保持されていた．この結果から，Tyr229がFBPA反 応における酸／塩基触媒であり，クラスI FBPAと同様 の機構で反応が進行することが示唆された．ちなみに，
古細菌型クラスIA FBPAである
のFBPAでは，Tyr146が同じ位置で酸／塩基触媒の役 割を担っている（19）．
図6に，推定されたFBPA/Pの反応機構の詳細を示 す．FBPAのアルドール縮合反応は思いのほか複雑で，
脱水反応，カルバニオン形成反応，C3‒C4結合形成反 応，水和反応の主に4つのステップからなると考えられ ている．つまり，C‒C結合を形成する前後に，酸／塩基 触媒が繰り返し働いて，水を抜いたり付けたりしてい る．ここでわれわれが得た中間体（FBPA型構造）は，
クラスI FBPAで報告されたものと同様に，脱水反応が すでに起こってC2位の酸素原子が抜けており，GA3P が結合する直前のイミン中間体であると考えている．
Tyr229はある程度フレキシブルなループの上にのって おり，微妙な位置の動きでこれらすべてのプロトン受け 渡し反応をアシストできるように見える．つまり，基質 のO2, C3, O3, C4およびLys232のN
ζ
のいずれの位置に も近い．この点に関しては今後検証が必要かもしれない が，周囲には，その機能を代替できるような残基は見つ からない．今回の構造にはGA3Pは含まれていないが，FBPase型構造においてFBPの6位のリン酸基からC4お よびC5のヒドロキシル基を認識している残基はFBPA 型構造でも同様の位置にあり，ここに十分な空間が存在 することから，すでにGA3Pが結合する用意ができてい るように見える．
FBPA反応が終了するとLys232は自由になるので，
Tyr229とともに，シッフ塩基ループごと活性部位から 外に出ることが可能になる．この時点で活性部位には FBPが存在するので，LidループとC末端ループは閉じ た状態のほうが安定になると予想される．ここで起こる FBPA/Pの「変身」は，次のFBPase反応のための準備 段階である．しかし，前述した，加水分解のための求核 攻撃を行う水分子と一般塩基触媒として働くAsp12は，
FBPA型の構造ですでに正しい位置に存在している．そ れでは，何が後半のFBPase反応の引き金になるのだろ うか？ 実は，FBPA型の構造ではDHAPのリン酸基 に3個 の Mg2＋ （Mg2 〜 Mg4） が 結 合 し て い る が，
FBPase型の構造にはFBPのC1位のリン酸の周囲に4個 の Mg2＋ （Mg1 〜 Mg4） が結合している．この4個目の Mg2＋ （Mg1） が，脱リン酸化反応直後に生じる負電荷 を安定化することにより，FBPase反応が進むようにな るのである．このMg1の結合には，シッフ塩基ループ の端に存在するAsp233が必要となる．FBPA型から FBPase型への「変身」に伴い，Lys232は中から外へと 出るが，その隣にあるAsp233は，その次の残基である Asp234との間のペプチド結合の反転に伴い，外から中 へと「ひっくり返り」，Mg1のサイトが形成される．こ の酵素の構造変化は細かい点まで見れば見るほどよくで きているが，この部分の動きは特に精妙なつくりになっ ていると感じる．
われわれがこのFBPA型の結晶構造を発表したのと 同時に，FBPA/Pを発見したドイツの研究グループも ほぼ同様の構造を発表し，これら2つの論文は同じ号の 誌に掲載された（22, 23）．彼らは超好熱性古細菌
由来のFBPA/Pを用いて，
図6■FBPA/Pの推定反応機構
FBPA型（DHAPとのシッフ塩基中間体），FBPase型
（FBPとの複合体）だけでなく，リガンドの結合してい ない構造と，F6Pの結合した構造も得ている．リガンド の結合していない構造はMg2＋ が2個（Mg3とMg4）し か結合しておらず，活性部位にリン酸基をもつリガンド が結合することで，Mg2が結合できるようになること がわかった．さらに，シッフ塩基ループは，開いた状態 と閉じた状態の中間の状態（彼らは「locked」と呼んで いる）も取りうることがわかった．ここで見られた構造 変化も，基本的にはわれわれが得た結論とほぼ同様で あった．別のグループがよく似たサンプルでほぼ同様の 結論を得ていたという事実を電子版の発表時に知り，
「もしも論文投稿が少しでも遅れていたら」と肝を冷や したのは確かである．彼らもこのことは事前には知らな かったらしい．しかし，FBPA/Pの構造変化は，それ を解明したわれわれですら，あまりにもよくでき過ぎて いると思っていたので，彼らとの「競作」により，この 分子機構が確かなものであり，FBPA/Pに共通して存 在することが示されたともいえる．
FBPA/Pの生理的意義と生命進化における位置づ け
われわれがFBPase型の構造を解いたときに抱いた疑 問は，これで解決したことになる．つまり，直鎖状の FBPが結合していた理由は，この酵素がFBPA反応で 合成されたばかりの産物を解離することなく，その場で すぐにFBPase反応の基質とするからであろう．興味深 いことに，このような「超好熱性古細菌の酵素が直鎖状 基質を好む」現象は，代謝経路上隣接した反応であり，
F6Pとグルコース-6-リン酸 （G6P） の間の異性化反応を 触媒するホスホグルコースイソメラーゼ （PGI） でも見 られる．真核生物から真正細菌まで幅広く存在する通常 のPGIは，環状の基質から直鎖状への開裂を触媒する His残基をもつ（24）．一方， 属や
属の変形EMP経路のPGIは，クピンと呼ばれる金属 結合型の全く異なるタイプのタンパク質である（25〜27）． このクピン型PGIは，直鎖状のF6PまたはG6Pを直接 結合して異性化反応を触媒するが，環状の基質を開裂す る触媒残基をもたない（28）．
FBPA/PのFBPA反応は，アルドール縮合（同化方 向つまり糖新生系）の活性は十分高いのに対して，逆反 応のFBP開裂（異化方向つまり解糖系）の活性は非常 に低い（17） （ただし異化方向のFBPA活性は，同時に FBPase反応も起こるので，正しく測定できていない可 能性が高い）．つまりFBPA/Pは糖新生経路専用の酵素
と言える．一方，一部の古細菌がもつクラスIA FBPA は，一般的にFBP開裂（異化方向）に比べてアルドー ル縮合の活性は低く（29），解糖系用の酵素ではないかと 推 測 さ れ る．た だ し， の ク ラ スIA FBPAは例外的にアルドール縮合活性とほぼ同等の FBP開裂活性を示す（30）．SayとFuchsが考えたFBPA/
Pの利点は以下のとおりである．まず，このように合成 方向のみに働く酵素がかかわる糖新生経路では，せっか く合成した糖が分解されることがない．実は，
を含む一部の古細菌はPFKをもたず，FBPを経由 しない変形 Entner‒Doudoroff （ED） 経路と呼ばれる別 の解糖系を利用している（31）．このような生物では解糖 系と糖新生が別ルートなので，生育基質の変化に応じて 転写制御を介さずに「小回りのきく」代謝調節が可能に なると考えられる．また，高温環境においては，熱に弱 いトリオースリン酸（DHAPやGA3Pなど）を素早く熱 に強いF6Pに変換できる．
しかし，いったいどうしてこのような不思議な酵素が 存在するのだろうか？ FBPA/Pをもつ生物は，古細 菌のほぼすべてと，真正細菌のうち生物の系統樹の根元 付近に位置する Aquifecae, Thermotogae,
など主に好熱菌に限られる（図1）．そして，
FBPA/Pは，中程度の温度で生育する菌から得られた 酵素も含めて，おしなべて耐熱性が高い．また，超好熱 性の生物は系統樹の根元付近に集中していることから，
地球上の生命は海底の熱水噴出孔のような高温環境で誕 生したと考えられている（32）．原始的な生命環境におい ては糖が豊富に存在したとは考えにくく，糖新生経路の 方が解糖系よりも先にでき上がったと考えるのが自然で あろう（33）．FBPA/Pはこのような原始的な独立栄養性 の好熱性生物がもっていた酵素のなごりではないかと推 測されている（17）．
FBPA/Pは一度に2つの生合成反応を触媒できるの で，一見効率的で，生物にとっては魅力的な酵素に見え る．しかし現実には，普通の生物が生存できない超高温 のような「ニッチな」極限環境に住む微生物のゲノムに しか残っていない．実はFBPA/Pの反応は常温では専 用の酵素に比べて比活性が低く，通常の生物では，
FBPA反応とFBPase反応は別々のもっと効率良い酵素
（つまりクラスI, II FBPAやクラスI FBPaseなど）が 担っている．さらに，この酵素は分子進化的な「遊び」
の余地が少ないように思える．元々クラスV FBPaseは オルソログ間の保存性が異常に高いことが知られてい た．上述したような精妙な「変身」メカニズムを維持す るためには，触媒に直接関係ないループ部分やその周囲
にまで高い保存性が求められるために，代謝系の進化の 中で取り残されていったのではないだろうか．
二機能性酵素とは？
二機能性酵素として教科書などにしばしば登場するの は，6-ホスホフルクト-2-キナーゼ （PFK2）／フルクトー ス-2,6-ビスホスファターゼ （FBPase2） である（34）．この 酵素は肝臓において解糖系と糖新生系を調節する因子で あるフルクトース-2,6-ビスリン酸 （F-2,6-BP） をF6Pか ら生成するPFK2と，F-2,6-BPをF6Pに戻すFPBase2の 2つの酵素が融合して1本のポリペプチドになったタン パク質である．このようなマルチドメインの二機能性酵 素としては，別々のドメインに存在する活性部位の間を タンパク質内部のチャンネルが結び，ここを反応産物／
基質が通ることによりトリプトファン生合成経路の連続 する2反応を効率良く触媒するトリプトファンシンター ゼ（35） など，多数が知られている．
一方，単に基質特異性が低く，同じ化学反応ではある が複数種の基質を触媒する酵素も二機能性（あるいは多 機能性）と呼ばれることがあり，葉緑体でセドヘプツ ロース-1,7-ビスリン酸とFBPの両方を開裂するアルド ラーゼ（36） などがこれに当たる．前述したクラスIV FBPaseも，IMPaseとFBPaseの両方の活性をもつ，基 質特異性の低い酵素の一例と言える．さらに，
の解糖系である変形ED経路では，上流 の3つの酵素の基質特異性が広いために，グルコースと ガラクトースの両方を代謝できる（37）．この例も含め，
基質特異性が低い場合には，「promiscuous」 な酵素と呼 ばれることが多い（38）．このタイプの二機能性酵素で特 筆すべきなのは，結核菌のPriAである（39）．PriAは2種 類の基質に応じて活性部位の複数のループが大きく動い て「変身」し，ヒスチジンとトリプトファンの両方の生 合成を触媒する．ただし，PriAは基質特異性が変化す るだけで，どちらの基質に対しても同じ異性化反応を触 媒する．
広義の二機能性（多機能性）酵素としては，酵素とし て化学反応を触媒する以外に，遺伝子調節やシグナル伝 達，構造タンパク質などの機能も併せもつ「ムーンライ ティング」酵素が知られている（40）．これは，昼は酵素 として働き，夜は内職をする，といったイメージの命名 であろう．有名な例としては，鉄調節（翻訳制御）タン パク質としても機能するアコニターゼや，動物の眼の水 晶体の構造タンパク質であるクリスタリン（ほかの機能 をもつ酵素がよく流用される）などが挙げられる．
さて，FBPA/Pが触媒するのは，リアーゼに分類さ れるアルドラーゼ縮合反応 （EC 4.1.2.13） と加水分解に 分類される脱リン酸化反応 （EC 3.1.3.11） と，全く異な る2つの化学反応であり，これが1つの活性部位で起こ るメカニズムが詳細に明らかになったのは前例がなく，
「真の」二機能性酵素と呼んで差し支えないだろう．し かし似たような例としては，放線菌
の抗生物質アルバフラベノンの生合成経路におい て，最後の酸化反応を触媒するシトクロムP450モノオ キシゲナーゼ （CYP170A1） が，その一段階前のテルペ ン合成酵素（ファルネシル二リン酸の環化反応）として も機能するという報告がある（41）．CYP170A1にはモノ オキシゲナーゼの活性部位として機能するヘムの遠位ポ ケットの近くに別のポケットが存在することから，ここ がテルペン合成酵素の活性部位ではないかと推測されて いる（42）．しかし，テルペン合成酵素の反応機構として は，オルソログのCYP170B1ではこの活性が失われてお り，Mg2＋ が関与する可能性が示されているほかには，
詳しいことはわかっていない（43）．
ごく最近，ドイツのFuchsらのグループが，またして も興味深い二機能性酵素を発見したと報告した（44）．
属真正細菌のフェニル酢酸分解系におけ るフェニル酢酸‒CoAモノオキシゲナーゼ（エポキシ ダーゼ）は，NADPHに依存して，エポキシドの酸素を 除去する反応（デオキシゲナーゼ）も触媒することが明 らかになった．この2種類の反応は，鉄原子が2個結合 している単一の活性部位で触媒される．ただし，このよ うに，複雑な反応経路を経る酸化還元酵素が別の反応
（副反応）を起こす例については，すでにいくつか知ら
れている（45〜47）．特に，シトクロムP450の「ペルオキシ
ド・シャント」は，ヘム鉄の上で起こる副反応として有 名な一例である（47）．
酵素のドメインやループの構造のゆらぎが基質結合や 反応産物の解離に重要であることは詳しく研究されてき たが，構造のゆらぎと酵素の触媒機能や多機能性との関 連についてはあまりよくわかっていない（48〜50）．上述の とおり，今回の研究は「1つの酵素活性部位が2つの反 応を触媒する」という分子機構を解明した初めての報告 例であり，酵素機能における構造のゆらぎの新たな重要 性を示したものといえる．今後，新たな「真の」二機能 性酵素が発見される可能性もあるのに加え，もしかした ら，既知の酵素でも，注意深く酵素活性を調べてみれ ば，別の活性を発見できるかもしれない．
文献
1） T. Sato & H. Atomi : , 14, 307
（2011）.
2） B. Siebers & P. Schonheit : , 8, 695
（2005）.
3） S. W. Kengen, F. A. de Bok, N. D. van Loo, C. Dijkema, A. J. Stams & W. M. de Vos : , 269, 17537
（1994）.
4） S. Ito, S. Fushinobu, I. Yoshioka, S. Koga, H. Matsuzawa
& T. Wakagi : , 9, 205 （2001）.
5） C. J. Bult, O. White, G. J. Olsen, L. Zhou, R. D. Fleisch- mann, G. G. Sutton, J. A. Blake, L. M. FitzGerald, R. A.
Clayton, J. D. Gocayne : , 273, 1058 （1996）.
6） Y. Kawarabayasi, M. Sawada, H. Horikawa, Y. Haikawa, Y. Hino, S. Yamamoto, M. Sekine, S. Baba, H. Kosugi, A.
Hosoyama : , 5, 55 （1998）.
7） Y. Kawarabayasi, Y. Hino, H. Horikawa, K. Jin-no, M.
Takahashi, M. Sekine, S. Baba, A. Ankai, H. Kosugi, A.
Hosoyama : , 8, 123 （2001）.
8） B. Stec, H. Yang, K. A. Johnson, L. Chen & M. F.
Roberts : , 7, 1046 （2000）.
9） C. H. Verhees, S. W. Kengen, J. E. Tuininga, G. J. Schut, M. W. Adams, W. M. De Vos & J. Van Der Oost : , 375, 231 （2003）.
10） N. Rashid, H. Imanaka, T. Kanai, T. Fukui, H. Atomi &
T. Imanaka : , 277, 30649 （2002）.
11） T. Sato, H. Imanaka, N. Rashid, T. Fukui, H. Atomi & T.
Imanaka : , 186, 5799 （2004）.
12） H. Nishimasu, S. Fushinobu, H. Shoun & T.
Wakagi : , 12, 949 （2004）.
13） G. Brown, A. Singer, V. V. Lunin, M. Proudfoot, T. Skari- na, R. Flick, S. Kochinyan, R. Sanishvili, A. Joachimiak,
A. M. Edwards : , 284, 3784 （2009）.
14） J. Y. Choe, S. W. Nelson, H. J. Fromm & R. B.
Honzatko : , 278, 16008 （2003）.
15） C. F. Midelfort, R. K. Gupta & I. A. Rose : , 15, 2178 （1976）.
16） E. Lorentzen, B. Siebers, R. Hensel & E. Pohl : , 32, 259 （2004）.
17） R. F. Say & G. Fuchs : , 464, 1077 （2010）.
18） K. H. Choi, J. Shi, C. E. Hopkins, D. R. Tolan & K. N.
Allen : , 40, 13868 （2001）.
19） E. Lorentzen, E. Pohl, P. Zwart, A. Stark, R. B. Russell, T.
Knura, R. Hensel & B. Siebers : , 278, 47253
（2003）.
20） M. St-Jean, J. Lafrance-Vanasse, B. Liotard & J. Sygusch : , 280, 27262 （2005）.
21） M. St-Jean & J. Sygusch : , 282, 31028
（2007）.
22） S. Fushinobu, H. Nishimasu, D. Hattori, H. J. Song & T.
Wakagi : , 478, 538 （2011）.
23） J. Du, R. F. Say, W. Lu, G. Fuchs & O. Einsle : , 478, 534 （2011）.
24） C. J. Jeffery, R. Hardre & L. Salmon : , 40, 1560 （2001）.
25） T. Hansen, M. Oehlmann & P. Schonheit : , 183, 3428 （2001）.
26） C. H. Verhees, M. A. Huynen, D. E. Ward, E. Schiltz, W.
M. de Vos & J. van der Oost : , 276, 40926
（2001）.
27） J. J. Jeong, S. Fushinobu, S. Ito, B. S. Jeon, H. Shoun & T.
Wakagi : , 535, 200 （2003）.
28） M. K. Swan, J. T. Solomons, C. C. Beeson, T. Hansen, P.
Schonheit & C. Davies : , 278, 47261 （2003）.
29） B. Siebers, H. Brinkmann, C. Dorr, B. Tjaden, H. Lilie, J.
van der Oost & C. H. Verhees : , 276, 28710
（2001）.
30） H. Imanaka, T. Fukui, H. Atomi & T. Imanaka : , 94, 237 （2002）.
31） H. Ahmed, T. J. Ettema, B. Tjaden, A. C. Geerling, J. van der Oost & B. Siebers : , 390, 529 （2005）.
32） K. O. Stetter : ,
361, 1837 （2006）.
33） R. S. Ronimus & H. W. Morgan : , 1, 199 （2003）.
34） J. L. Tymoczko, J. M. Berg & L. Streyer： ストライヤー
基礎生化学 ，入村達朗他訳，東京化学同人，2010, p. 253.
35） E. W. Miles : , 1, 140 （2001）.
36） A. Flechner, W. Gross, W. F. Martin & C. Schnar ren- berger : , 447, 200 （1999）.
37） H. J. Lamble, A. Theodossis, C. C. Milburn, G. L. Taylor, S. D. Bull, D. W. Hough & M. J. Danson : , 579, 6865 （2005）.
38） O. Khersonsky & D. S. Tawfik : , 79, 471 （2010）.
39） A. V. Due, J. Kuper, A. Geerlof, J. P. Kries & M.
Wilmanns : , 108, 3554 （2011）.
40） B. Moore : , 9, 221 （2004）.
41） B. Zhao, X. Lin, L. Lei, D. C. Lamb, S. L. Kelly, M. R. Wa- terman & D. E. Cane : , 283, 8183 （2008）.
42） B. Zhao, L. Lei, D. G. Vassylyev, X. Lin, D. E. Cane, S. L.
Kelly, H. Yuan, D. C. Lamb & M. R. Waterman : , 284, 36711 （2009）.
43） S. C. Moody, B. Zhao, L. Lei, D. R. Nelson, J. G. Mullins, M. R. Waterman, S. L. Kelly & D. C. Lamb : , 279, 1640 （2012）.
44） R. Teufel, T. Friedrich & G. Fuchs : , 483, 359
（2012）.
45） V. I. Bunik & A. R. Fernie : , 422, 405 （2009）.
46） B. A. Palfey & C. A. McDonald : , 493, 26 （2010）.
47） H. Joo, Z. Lin & F. H. Arnold : , 399, 670 （1999）.
48） R. Huber & W. S. Bennett, Jr. : , 22, 261
（1983）.
49） C. Bustamante, Y. R. Chemla, N. R. Forde & D. Izhaky : , 73, 705 （2004）.
50） A. Tousignant & J. N. Pelletier : , 11, 1037
（2004）.
