東大、超好熱性古細菌の酵素が変身しながら２つの反応を触媒する様子を解明

２種類の化学反応を触媒する酵素が「変身」する姿を世界で初めてとらえた


【発表者】
　伏信　進矢（東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命工学専攻　准教授）
　西増　弘志（東京大学大学院理学系研究科　生物化学専攻　特任助教）
　服部　大紀（東京大学農学部　生命化学・工学専修　４年；当時）
　宋　賢珍（東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命工学専攻　博士課程２年）
　若木　高善（東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命工学専攻　教授）


＜発表概要＞
　本研究科の若木高善（わかぎ　たかよし）教授、伏信進矢（ふしのぶ　しんや）准教授らと、本学大学院理学系研究科の西増弘志（にします　ひろし）助教らの研究グループは、生命の起源に近いと考えられている超好熱性古細菌（ちょうこうねつせいこさいきん）の酵素が変身しながら２つの反応を触媒する様子を世界で初めて明らかにしました。

　古細菌は変わった酵素をたくさんもっていますが、中でも特に不思議なのが「ＦＢＰアルドラーゼ／ホスファターゼ」です。この酵素は、２種類の異なる化学反応を触媒するという、生化学の常識では考えられない働きをします。またこの酵素は、生命進化の初期段階において必要不可欠な糖を生合成する反応を担います。

　研究グループは、高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）の放射光科学研究施設フォトンファクトリー（注１）を利用し、この酵素が大きく形を変えながら、２つの反応を触媒する様子をとらえることに成功しました。このような多機能酵素の働きは、生化学の常識を覆すものであり、今後他の生物でもこのような酵素が見つかることが期待されます。


＜発表内容＞

１．研究の背景
　超高温の熱水中で生育する微生物である「超好熱菌」は、生命がどのように進化してきたかを表す「進化系統樹」を描くと、根元の近くに位置するため、生命の共通の祖先に近いと考えられています（図１）。超好熱菌の多くは、一般的な生物（細菌や真核生物）とは異なる系統に属する生物群である「古細菌」に分類されます。超好熱性古細菌の中には、炭酸ガスのような簡単な無機物から、糖類などの複雑な化合物を合成して自分の細胞を作り上げることができる性質（独立栄養性）を示すものがあります。生物が糖を合成する反応経路（糖新生経路）は、原始的な生命が進化する際に重要であったと考えられます。

　一般的な生物の場合、糖新生経路の途中の化学反応には、ＦＢＰアルドラーゼとＦＢＰホスファターゼという２種類の別々の酵素が連続して関わっています。しかし、超好熱性古細菌などの糖新生経路では、これらの反応を１つのタンパク質が触媒します。この酵素はＦＢＰアルドラーゼ／ホスファターゼ（ＦＢＰＡ／Ｐ）と呼ばれ、２種類の異なる化学反応を触媒することができる「一粒で二度おいしい」酵素です。


２．研究内容と成果
　研究グループは、大分県の別府温泉より単離された超好熱性古細菌Ｓｕｌｆｏｌｏｂｕｓ（スルホロバス）のもつＦＢＰＡ／Ｐを用いて実験を行いました。ＦＢＰＡ／Ｐの立体構造は、８個の同じユニットが寄り集まった大きな樽（たる）のような形をしており、ユニットの間の部分で化学反応を触媒します（図２）。

　ＦＢＰＡ／Ｐが触媒する２種類の反応は、具体的には、（１）ジヒドロキシアセトンリン酸（ＤＨＡＰ）とグリセルアルデヒド−３−リン酸（ＧＡ３Ｐ）を結合してフルクトース−１，６−ビスリン酸（ＦＢＰ）を作るＦＢＰアルドラーゼ反応と、（２）ＦＢＰをフルクトース６リン酸（Ｆ６Ｐ）と無機リン酸（Ｐｉ）に切断するＦＢＰホスファターゼ反応です（図３左）。

　研究グループは２００４年に、後半のＦＢＰホスファターゼ反応を触媒している途中の状態の立体構造（図３右下：ＦＢＰが結合している）を明らかにしていました。今回、前半のＦＢＰＡ反応を触媒している途中の状態の立体構造（図３右上：ＤＨＡＰが結合している）を、フォトンファクトリー（注１）ＰＦ−ＡＲのＮＷ１２Ａを利用し、Ｘ線結晶構造解析（注２）の技術を用いて、とらえることに成功しました。そして２つの状態を比べることにより、ＦＢＰＡ／Ｐがもつ１つしかない活性中心（化学反応を触媒する部分）で、３つのループ（蓋ループ、シッフ塩基ループ、Ｃ末端ループ）が大きく動くことにより、活性中心がまったく異なる形に変化することを明らかにしました。

　ＦＢＰアルドラーゼの状態では、リジン残基（Ｋ２３２）が第一の基質であるＤＨＡＰと結合していました。第二の基質であるＧＡ３Ｐが活性中心に入ってくると、すぐ近くにあるチロシン残基（Ｙ２２９）のはたらきにより、ＧＡ３ＰとＤＨＡＰは結合してＦＢＰができると考えられます（ＦＢＰアルドラーゼ反応）。ＦＢＰができるとリジン残基は自由になり、３つのループが動けるようになります。シッフ塩基ループがひっくり返って、蓋ループとＣ末端ループが閉じることにより、ＦＢＰホスファターゼの状態になります。すると、アスパラギン酸残基（Ｄ２３３）が活性中心に入って、マグネシウムイオンが結合できるようになります。このマグネシウムイオンの結合が引き金となり、ＦＢＰがＦ６ＰとＰｉに切断されます（ＦＢＰホスファターゼ反応）。

　この「変身」こそが、まるで離れわざのように、２つの異なるしかし一連の反応を順次触媒する鍵であることが分かりました。このようなしくみは、１つの酵素は１つの反応を触媒すると信じられてきた生化学の常識を覆すものです。現在の生物のほとんどはＦＢＰＡ／Ｐをもっておらず、上記のように、２種類の別々の酵素でこれらの反応を触媒しています。原始的な生命は、ＦＢＰＡ／Ｐのような一人二役の酵素を利用して、今よりシンプルなやりかたで生合成を行っていたのかもしれません。


３．今後の展開
　今回の発見は、１つの酵素が２つの異なる化学反応を触媒するメカニズムを解明した初めての例であり、基礎科学的に重要な知見となります。さらに、今回の結果から、同様の多機能酵素が他にも存在する可能性が示されたことになります。今後、有用な化合物を簡単な化合物から一度に合成できる酵素が見つかることも期待されます。


参考ＵＲＬ：
　東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命工学専攻　酵素学研究室ホームページ
　http://enzyme13.bt.a.u-tokyo.ac.jp
　新着論文レビュー
　http://first.lifesciencedb.jp/3444


※下記資料は、添付の関連資料を参照

　・図１：生物の進化系統樹の概略。超好熱菌を赤で示した。右側の枝を形成する「古細菌」と、「細菌」の枝の根元の近くに位置する超好熱菌がＦＢＰＡ／Ｐを持つ。

　・図２：ＦＢＰアルドラーゼ／ホスファターゼの全体構造。同じユニットが８個寄り集まって樽のような形になる。ひとつのユニットを虹色（青〜水色〜緑〜黄緑〜橙〜赤）で、結合した基質ＤＨＡＰを紫色の球で、マグネシウムイオンをピンクの球で表した。

　・図３：ＦＢＰＡ／Ｐが触媒する反応（左側）と、反応が起こる部分の模式図（右側）。ＦＢＰアルドラーゼの状態（上側）とＦＢＰホスファターゼの状態（下側）では３つのループの形が大きく異なる。


＜発表雑誌＞
　雑誌名：「Ｎａｔｕｒｅ」（オンライン版　１０月１０日）
　論文タイトル：Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｆｒｕｃｔｏｓｅ　１，６−ｂｉｓｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ａｌｄｏｌａｓｅ／ｐｈｏｓｐｈａｔａｓｅ（フルクトース−１，６−ビスリン酸アルドラーゼ／ホスファターゼの二機能性の構造基盤）
　著者：（＊）Ｓｈｉｎｙａ　Ｆｕｓｈｉｎｏｂｕ（伏信進矢），（＊）Ｈｉｒｏｓｈｉ　Ｎｉｓｈｉｍａｓｕ（西増弘志），Ｄａｉｋｉ　Ｈａｔｔｏｒｉ（服部大紀），Ｈｙｕｎ−Ｊｉｎ　Ｓｏｎｇ（宋賢珍），Ｔａｋａｙｏｓｈｉ　Ｗａｋａｇｉ（若木高善）
　　＊共同筆頭著者，責任著者
　掲載日：２０１１年１０月７日
　ＤＯＩ：１０．１０３８／ｎａｔｕｒｅ１０４５７


＜用語解説＞
注１　フォトンファクトリー：
　光（Ｐｈｏｔｏｎ）の工場（Ｆａｃｔｏｒｙ）の愛称で親しまれているＰＦは日本初のＸ線を利用出来る放射光専用光源として１９８２年に完成しました。大学や研究機関が共同で利用実験するための施設（大学共同利用機関）としてＫＥＫで運用され、年間約３千名を超える国内外の研究者が実験に訪れ、物質科学・生命科学の基礎から応用に至る世界最先端の研究成果を創出しています。

注２　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。