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生物分子機能研究コア／農学部の 宮崎 剛亜 准教授 の研究グループは、プレバイオティクス(*1)として知られるイソマルトオリゴ糖(*2)を分解する細菌由来酵素の分子構造を解析し、イソマルトオリゴ糖のα-1,6結合を特異的に認識してグルコースに分解する仕組みを原子レベルで明らかにしました。

【研究のポイント】

・土壌細菌Flavobacterium johnsoniaeから見出されたイソマルトオリゴ糖をグルコースに分解する酵素（FjGH97A）の分子構造をX線結晶構造解析によって明らかにしました。
・FjGH97Aの基質結合部位のアミノ酸残基を１つだけ変えることで、マルトオリゴ糖のα-1,4結合を分解する酵素に変化することが分かりました。
・本研究成果は細菌の糖質資化性の予測やその機構解明に寄与することが期待されます。

当研究グループは以前、乳酸菌が菌体外多糖（EPS）として産生する多分岐デキストラン(*3)を対象とした土壌細菌 Flavobacterium johnsoniae (*4) の多糖資化(*5)機構を解明しました。
その中から見出されたイソマルトオリゴ糖分解酵素（FjGH97A）は、腸内細菌 Bacteroides thetaiotaomicron (*6) が有する澱粉資化機構に関わるマルトオリゴ糖(*7)分解酵素（SusB）とアミノ酸配列相同性が約70%と高いにもかかわらず、SusBが好むマルトオリゴ糖のα-1,4結合に対する活性は低く、イソマルトオリゴ糖のα-1,6結合に高い活性を有していました。

本研究では、FjGH97Aの立体構造と基質特異性の相関を解明することを目的として研究を行い、X線結晶構造解析(*8)によって基質の認識機構を明らかにすることに成功しました。
その結果、FjGH97AとSusBでは基質結合部位を構成するアミノ酸残基が2つだけ異なっていることがわかりました。
さらに、そのうち1つをSusB型に置換することで、基質特異性がスイッチして、SusBのようにα-1,4結合に対する活性の方が高くなることが分かりました。

膨大なゲノム情報から見出された機能未知タンパク質・酵素の機能は、機能が明らかになっているタンパク質・酵素とのアミノ酸配列相同性の高さに基づいて予測されます。
本研究によって、糖質分解酵素のアミノ酸配列の相同性だけでなく、基質結合部位のアミノ酸残基に着目した基質特異性予測や酵素が関わる細菌の糖質資化機構の予測・解明に貢献できると考えられます。

なお、本研究成果は、2024年４月25日に、欧州生化学会連合の発行する国際雑誌「FEBS Journal」にオンライン掲載されました。

【研究者コメント】

静岡大学グリーン科学技術研究所　准教授・宮崎　剛亜（みやざき　たかつぐ）

本研究は、自然科学系教育部バイオサイエンス専攻博士課程修了生である中村駿太郎博士が中心となって遂行した乳酸菌EPS資化機構の研究から派生してアイディアが構築され、本学大学院総合科学技術研究科農学専攻修士課程修了生である倉田陸矢氏と一緒に重要な実験データを積み重ねたものになります。

図 １． 本研究の概略 （上側）本研究で明らかにしたイソマルトオリゴ糖分解酵素（FjGH97A）の立体構造とFjGH97Aがコードされる多分岐デキストラン資化遺伝子座。 （下側）既に明らかになっているマルトオリゴ糖分解酵素SusBの立体構造とSusBがコードされる澱粉資化遺伝子座。
図 １． 本研究の概略
（上側）本研究で明らかにしたイソマルトオリゴ糖分解酵素（FjGH97A）の立体構造とFjGH97Aがコードされる多分岐デキストラン資化遺伝子座。
（下側）既に明らかになっているマルトオリゴ糖分解酵素SusBの立体構造とSusBがコードされる澱粉資化遺伝子座。

【論文情報】

掲載誌名：FEBS Journal
論文タイトル：Structural insights into α-(1→6)-linkage preference of GH97 glucodextranase from Flavobacterium johnsoniae
著者：Shuntaro Nakamura, Rikuya Kurata, Takatsugu Miyazaki
DOI：10.1111/febs.17139

【用語説明】

1. プレバイオティクス
大腸内の特定の細菌の増殖を選択的に促進し、宿主に有利な影響を与え、宿主の健康を改善する難消化性食品成分である。

2. イソマルトオリゴ糖
グルコースがα-1,6結合で結ばれてできたオリゴ糖。ビフィズス菌増殖効果があり、食品に利用されている。二糖はイソマルトース、三糖はイソマルトトリオースと呼ばれる。

3. 多分岐デキストラン
Leuconostoc属やStreptococcus属などの一部の乳酸菌は、グルコースがα-1,6結合で連なってできる多糖であるデキストランをバイオフィルムとして菌体外に作る。種によっては、α-1,2、α-1,3、α-1,4結合の枝分かれ構造を持つ多糖を作り、特に枝分かれの多いデキストランを多分岐デキストランと呼ぶ。Leuconostoc属の多分岐デキストランはプレバイオティクス効果が報告されている。

4. Flavobacterium johnsoniae（フラボバクテリウム・ジョンソニエ）
多糖の一つであるキチンを分解するグラム陰性細菌として土壌から見つかった。ゲノム解析が完了しており、さまざまな多糖を分解する能力や滑走運動する能力に注目した研究がされている。

5. 資化
微生物がある化合物を栄養源として利用すること。

6. Bacteroides thetaiotaomicron（バクテロイデス・テタイオタオミクロン）
グラム陰性腸内細菌であり、ゲノム解析が完了している。300に近い数の推定糖質分解酵素遺伝子を有しているため、糖質分解酵素研究のモデルとして用いられる。グラム陰性細菌の多糖資化遺伝子座(*9)の研究は本菌の澱粉資化機構に関する研究が始まりである。

7. マルトオリゴ糖
グルコースがα-1,4結合で結ばれてできたオリゴ糖。二糖はマルトース（麦芽糖）、三糖はマルトトリオースと呼ばれる。

8. X線結晶構造解析
タンパク質などの高分子の立体構造を決定するための手法の一つである。結晶にX線を照射して取得する回折パターンから電子密度情報が得られ、タンパク質の立体構造を原子レベルで解明することができる。

9. 多糖資化遺伝子座
多糖の捕捉、分解、取り込みに関与するタンパク質や転写制御因子をコードする遺伝子がクラスターを形成している構造を指し、オペロンとして発現が制御されている。

宮崎 剛亜 准教授（グリーン科学技術研究所／農学部）｜静岡大学教員データベース
【詳細はこちら：プレスリリース】プレバイオティクスであるイソマルトオリゴ糖を分解する細菌酵素の立体構造を解明
関連リンク
■ 農学部 酵素化学研究室（宮崎研究室）ウェブサイト
■ 静岡大学農学部 ウェブサイト

問い合わせ先：
(研究に関すること)
静岡大学 グリーン科学技術研究所 生物分子機能研究コア/農学部 応用生命科学科
准教授・宮崎 剛亜 (みやざき たかつぐ)
TEL : 054-238-4886
E-mail : miyazaki.takatsugu[at]shizuoka.ac.jp
研究室ウェブサイト： https://wwp.shizuoka.ac.jp/glycoenzyme

※全て[at]を@に変更してご利用ください。