ビフィズス菌の効率的な代謝に関わる酵素の構造を解明（プレスリース）

公開日: 2010年10月29日

BL38B1（構造生物学III）

平成22年10月29日
国立大学法人東京大学大学院農学生命科学研究科

　ビフィズス菌は、高効率の特殊な解糖系（糖の代謝経路）を持つことが知られています。ビフィズス菌の特殊な解糖系の鍵となる酵素「ホスホケトラーゼ」の立体構造を解明しました。ホスホケトラーゼが触媒する、チアミン二リン酸（活性型ビタミンB₁）を利用した脱水反応や、その結果生じる中間体にリン酸を付加してアセチルリン酸を生成する反応など、そのメカニズムの詳細が明らかになりました。

（論文）
"Crystal Structures of Phosphoketolase: Thiamine Diphosphate-Dependent Dehydration Mechanism"
Ryuichiro Suzuki, Takane Katayama, Byung-Jun Kim, Takayoshi Wakagi, Hirofumi Shoun, Hisashi Ashida, Kenji Yamamoto, and Shinya Fushinobu
Journal of Biological Chemistry 285 (44), 34279-34287 (2010) (2010年8月24日電子版掲載、2010年10月29日刊行)

　ビフィズス菌はヒトの腸内細菌の中でも代表的な「善玉菌」として知られており、整腸作用の他にも腸管免疫賦活作用など、健康に有益な作用があることが報告されています。
　ビフィズス菌は酸素の少ない腸内に棲息する嫌気性細菌であり、おもに嫌気発酵によりエネルギーを得ています。ビフィズス菌は乳酸菌の一種であり、乳酸以外に酢酸なども産生するヘテロ乳酸菌^※1に分類されます。ビフィズス菌は特殊な解糖系^※2を持つことが古くから知られており、「ビフィドシャント(bifid shunt)」と呼ばれています。一般的な解糖系として有名な「エムデン-マイヤーホフ経路」ではグルコース１分子あたり２分子のアデノシン三リン酸（ATP）^※3が生成されますが、ビフィドシャントではグルコース２分子あたり５分子のATPが生成されるため、1.25倍効率が良いといえます（図1）。ビフィドシャントで中心的な役割を担う酵素が「ホスホケトラーゼ^※4」です。ホスホケトラーゼは基質にリン酸を付加してアセチルリン酸を生成する反応を触媒しますが、このアセチルリン酸こそが、ATPおよび酢酸が生産されるもととなります。

　ホスホケトラーゼが発見されたのは５０年以上も前（１９５８年）のことですが、その立体構造はごく最近まで全く分かっていませんでした。本研究では、ホスホケトラーゼの立体構造をＸ線結晶構造解析^※5の技術を用いて明らかにしました（図2）。さらに、反応中間体や、リン酸との複合体などの構造解析を通じて、この酵素のメカニズムを原子レベルで詳細に明らかにすることに成功しました。

　ホスホケトラーゼはチアミン二リン酸（TPP）^※6を補酵素とする酵素群の１種ですが、これまでに知られていたTPPを利用する酵素反応とは異なる新規な特徴が２つあります（図3）。
（１）「ジヒドロキシエチルTPP中間体」から脱水反応が起こり「アセチルTPP中間体」になる。
（２）「アセチルTPP中間体」にリン酸が付加してアセチルリン酸を生成する。
本研究では、「ジヒドロキシエチルTPP中間体」と「アセチルTPP中間体」の両方の構造をとらえることに成功し、脱水反応の詳細を明らかにしました（図4）。さらに、リン酸との複合体の構造を決定することにより、「アセチルTPP中間体」からアセチルリン酸が生成する反応の詳細も明らかにしました（図5）。

　本研究では、代表的な善玉菌であるビフィズス菌が持つ効率的なエネルギー代謝のしくみを明らかにして、この菌が腸管の中で増殖する機構の一端を明らかにしました。さらに、TPPを利用した脱水反応という、これまでに知られていなかった酵素反応の詳細も明らかにしました。ビフィズス菌の持つ効率的な酵素を他の有用な微生物に導入して代謝の効率化をはかるなど、さまざまな応用が期待されます。

《共同研究・助成など》
　本研究は、京都大学および石川県立大学と共同で行われました。X線回折データ測定には大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所放射光科学研究施設フォトンファクトリー（茨城県つくば市）および 大型放射光施設SPring-8^※7の構造生物学IIIビームライン（BL38B1）を用いました。本研究を含む一連の研究は生物系特定産業技術研究支援センター基礎研究推進事業の委託課題「酵素デザインを活用したミルクオリゴ糖の実用的生産技術の開発」によって行われたものです。

《用語解説》
※1　ヘテロ乳酸菌
　代謝により乳酸を生産する細菌は乳酸菌と総称されるが、そのうち乳酸以外に酢酸やアルコールなどを同時に生産する細菌のこと。乳酸のみを生産する乳酸菌をホモ乳酸菌と呼ぶ。

※2　解糖系
　グルコースをピルビン酸などの有機酸に分解する代謝経路。最も基本的な代謝系のひとつ。いくつかの種類があるが、エムデン-マイヤーホフ経路は最も一般的な解糖系として知られており、ほとんどの真核生物や嫌気性細菌ではこの経路が用いられている。乳酸菌では乳酸脱水素酵素のはたらきでピルビン酸を乳酸に変換している。

※3　アデノシン三リン酸
　高エネルギーリン酸結合を持ち、「生体のエネルギー通貨」として数多くのエネルギー供給反応に関与する。細胞の働きに大切な「リン酸転移」という化学反応でも重要な役割を果たしている。

※4　ホスホケトラーゼ
　キシルロース５-リン酸（またはフルクトース６-リン酸）とリン酸からグリセルアルデヒド３-リン酸（またはエリスロース４-リン酸）と水とアセチルリン酸を生成する反応を触媒する酵素（図3を参照）。乳酸菌、酵母、カビなど一部の微生物に存在するが、フルクトース６-リン酸を良好な基質とできるホスホケトラーゼはビフィズス菌にしか見いだされていない。

※5　Ｘ線結晶構造解析
　酵素（タンパク質）の立体構造を得るための最も一般的な方法の一つ。目的物質の結晶にX線を照射し、回折データを測定することにより、微細な三次元構造を知ることが出来る。

※6　チアミン二リン酸(TPP)
　チアミン（ビタミンB₁）にリン酸が２個結合した活性型。補酵素としてはたらき、数多くの重要な代謝酵素の反応を助ける。ビタミンB₁は1910年代に鈴木梅太郎が米ぬかから脚気を予防する因子として抽出し、オリザニンと命名したことで知られている。

※7　大型放射光施設SPring-8
　兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す理化学研究所の施設、高輝度光科学研究センターが管理運営を行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8GeVに由来する。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、絞られた強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究を行っている。

《参考資料》