化学と生物 Vol. 50, No. 10, 2012
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今日の話題
遺伝子探索による耐熱性キチン分解酵素の開発
構造学的アプローチによる機能解明
キチンは地球上でセルロースに次ぐ生産量を占めるバ イオマス資源である．キチンの分解産物であるグルコサ ミンには関節痛改善や美肌効果といった優れた特性が見 いだされており，近年食品や医薬品といった幅広い分野 に用いられている．ゆえに，カニやエビの大量投棄され ている甲殻を構成する結晶性キチンを効率よく分解でき るキチン分解酵素を発見・開発できればキチン系バイオ マスの有効利用に役立つと考えられる．自然界に存在す るさまざまな微生物の未利用遺伝子の中で，100℃近い 高温環境で生育できる超好熱菌由来の酵素はたいへん高 い安定性を有し，産業用酵素としての可能性を秘めてい る．しかしながら超好熱菌由来のキチン分解酵素群に関 する報告は，田中らによる超好熱菌
の遺伝子および酵素学的性質に関する報告 のみであった（1）．ここでは，超好熱菌由来のキチン分解 酵素について，最近の知見を紹介する．
のキチン代謝経路は既知のものと大 きく異なる（図1-A）．すなわち，キチナーゼによるキ チン分解①は他の生物でも見られるが，次の，2糖の部 分的脱アセチル化②， -アセチルグルコサミンとグルコ
サミンへの水解③，そして， -アセチルグルコサミンの 脱アセチル化反応②，は新たに見いだされた代謝経路で ある．では，他の超好熱菌も同じ代謝経路を利用してい るのか？ また，各経路の詳細な反応機構はどのように なっているのであろうか？
近縁の超好熱菌 属に着目すると，①のキ チナーゼ遺伝子に相当する配列が
ゲノム上にも見いだされる．しかしながら，この遺伝子 はゲノム上でフレームシフトを起こして，自然界では機 能していない．おそらく進化の過程で不要となり休眠状 態となったのであろう．このフレームのギャップを遺伝 子工学的手法で合わせると人工キチナーゼ遺伝子 （ - ChiA）を得ることができる（2, 3）．そして，この遺伝子を 発現させると，至適温度100℃で，優れた耐熱性を有 し，自然界で大半を占める
α
型結晶性キチンを効率的に 分解できるキチナーゼを得ることができる． -ChiAは 全長1,075残基からなり，分子内に2つの触媒ドメイン（AD1, AD2） と2つ の キ チ ン 結 合 ド メ イ ン （ChBD1, ChBD2） が存在する（図1-B）．基質との結合は，他の 生物由来キチン結合ドメイン同様に，タンパク質表面上
図1■超好熱菌のキチン代謝経路お よ び 由 来 キ チ ナ ー ゼ
（ -ChiA） の構造
（A） 超好熱菌 にお
けるキチン代謝経路．近縁の超好熱 菌 においても同じ代謝経 路を利用しているが，①のキチナー ゼはゲノム上でフレームシフトを起 こしているので自然界では発現して い な い．（B） 由 来 キ チ ナーゼ （ -ChiA） のドメイン構造．
自然界では矢印部分にstop codonが 存在する．（C） 由来キチ ナーゼ （ -ChiA） の立体構造．触媒 ドメインAD1は構造未発表．1分子 内に基質結合力の異なる結合ドメイ ンChBD1, ChBD2および基質分解機 構が異なる触媒ドメインAD1（エキ ソ 型，bacterial-type）（未 発 表 デ ー タ ），AD2（エ ン ド 型，plant-type）
が存在するため効率よく結晶性キチ ンを分解できると考えられる．
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に露出した芳香族アミノ酸とキチンの疎水面との相互作 用による（4） （図1-C）．しかし，ChBD1とChBD2間でア ミノ酸配列の相同性はなく，構造類似性もない．興味深 いことに基質結合力はChBD2のほうがChBD1より3倍 強い．これはChBD2の芳香族アミノ酸がすべてトリプ トファン （WWW） であるのに対し，ChBD1ではそのう ち2つがチロシン （WYY） であるのが原因と考えられ る． -ChiAがコードするキチナーゼを，アミノ酸配列 相同性に基づいて分類すれば，細菌や真菌，植物，動物 など多種多様な生物から見いだされるファミリー 18に 属する．ファミリー 18キチナーゼの特徴を詳しく見て いくと，活性部位に高度に保存された共通配列が存在 し，さらに構造的特徴から深い活性クレフト部位構造を もつ「bacterial-type」，浅くフラットな活性部位構造を もつ「plant-type」に分類される． -ChiAの触媒ドメ インAD1は「bacterial-type」，AD2は「plant-type」で あるが，これまで「plant-type」キチナーゼの基質との 反応様式は不明であったため，両者は構造的な特徴だけ で区別されてきた．しかし，最近，AD2/基質複合体の 構造解析が進み，「bacterial-type」と「plant-type」は 触媒機構が異なることが明らかとなった（5, 6）．そこで，
「bacterial-type」と「plant-type」の分類が，活性部位 の構造および反応機構の違いからなされることが示唆さ れている．AD2の結晶性キチンに対する活性はAD1よ り2倍高いが（3），これは立体構造や反応機構の違い，さ らには触媒ドメインに隣接する結合ドメインの基質結合 力の差が影響していると考えられる．このように - ChiAは機能の異なるドメイン同士の相乗効果により，
結晶性キチンを効率よく分解していることが推測される
（図1-C）．
さらに， および のゲノム上
には，脱アセチル化酵素，グルコサミニダーゼの遺伝子 配列もあり，それぞれが活性を有するタンパク質として 発現されることが明らかとなっている．ところで，
にはキチナーゼ遺伝子が見つかっていない．
また， の遺伝子は休眠状態である．それにも かかわらず脱アセチル化酵素，およびグルコサミニダー ゼが存在するということは①のキチナーゼに相当する酵 素が別に存在する可能性を示唆している．そうなると 属から新たなキチン代謝経路が発見されるか もしれない．
ここまで，超好熱菌のキチン代謝経路について筆者ら の知見を中心に紹介してきた． -ChiAは休眠状態の遺 伝子であり，それがコードするタンパク質の発現と構造 解析は，好熱菌由来キチナーゼとしては初めてのもので ある．
このように超好熱菌の代謝経路をタンパク質構造学的 アプローチで明らかにし，有用な情報を得ていくこと が，バイオマスの有効利用につながっていくと期待して いる．
1） T. Tanaka : , 279, 30021 （2004）.
2） T. Nakamura : , 61, 476
（2005）.
3） T. Oku & K. Ishikawa : , 70,
1696 （2006）.
4） S. Mine : , 381, 670 （2008）.
5） S. Mine : , 63, 7 （2007）.
6） H. Tsuji : , 277, 2683 （2010）.
（峯 昇平，中村 努，上垣浩一，産業技術総合研究 所）
池田 郁男（Ikuo Ikeda） ＜略歴＞1975 年九州大学農学部食糧化学工学科卒業／九 州大学大学院農学研究科博士後期課程修 了，農学博士，九州大学農学部助手，助教 授を経て2005年より東北大学大学院農学 研究科教授＜研究テーマと抱負＞食品成分 および栄養素の肥満，動脈硬化症予防作用 に関する研究，ステロール吸収機構に関す る研究＜趣味＞バドミントン
池田 彩子（Saiko Ikeda） ＜略歴＞1998 年名古屋大学大学院生命農学研究科博士後 期課程満期退学，博士（農学）取得／1998 年椙山女学園大学生活科学部助手／2002 年名古屋学芸大学管理栄養学部講師／2006
年同助教授／2010年同教授，現在に至る
＜研究テーマと抱負＞抗酸化ビタミンの代 謝と生理作用に関する研究
上 垣 浩 一（Koichi Uegaki） ＜略 歴＞ 1988年大阪大学理学部生物学科卒業／
1994年大阪大学大学院理学研究科博士後 期課程修了（理博）／1993年日本学術振興 会特別研究員／1996年NEDO産業技術研 究開発部最先端分野技術研究員／1996年 科学技術振興事業団，科学技術特別研究 員 ／1998年 大 阪 工 業 技 術 研 究 所 入 所 ／ 2001年（独）産業技術総合研究所主任研究 員／2012年同研究所生体分子創製研究グ ループ長，現在に至る＜研究テーマと抱
負＞タンパク質の高機能化研究
鎌 形 洋 一（Yoichi Kamagata） ＜略 歴＞1986年北海道大学大学院農学研究科 農芸化学専攻博士課程修了（農学博士）／
1986年微生物工業技術研究所／1993年ミ シガン州立大学研究員／2001年産業技術 総合研究所生物プロセス研究部門研究グ ループ長／2006年同研究所生物プロセス 研究部門長／同年北海道大学大学院農学研 究院客員教授，現在に至る＜研究テーマと 抱負＞古典微生物学の時代の研究に脱帽．
そしてそれを現在微生物学の俎上で調理
（?）すること＜趣味＞古典から民族音楽ま で聴き流すこと
