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エキソ型ガラクタン分解酵素の基質認識機構

松山, 佳織 東京大学 DOI:10.15083/0002006897

2023.03.24

概要





























植物細胞壁は、細胞の力学的強度を担保するだけではなく、細胞分裂や細胞接
着、細胞分化・増殖の制御、シグナル伝達、生体防御、水理機能など、植物にと
って非常に重要な役割を担う構造体である。また、地上におけるバイオマスの大
部分が植物細胞壁であるため、植物細胞壁の主成分である多糖類に作用する酵
素の機能を詳細に明らかにすることは、植物の成長メカニズムの解明やバイオ
マスの有効活用につながることが期待される。ガラクタンは植物細胞壁に含ま
れる多糖の一種で、成長中の一次細胞壁に存在するペクチンの側鎖や、プロテオ
グリカンの一つであるアラビノガラクタンタンパク質(AGP)の糖鎖領域に存
在し、細胞壁強度の維持やシグナル伝達に関与する。しかしながら、その糖鎖構
造や分解酵素に関する研究は多くなく、いまだ不明な点が多い。
そこで本博士論文において第一章の序論では、植物細胞壁の構成成分とガラ
クタンの機能、ガラクタン分解酵素に関する既往の研究に関する知見を紹介し、
研究の背景に関して説明した。
第二章では、トマト果実由来糖加水分解酵素(GH)ファミリー35β-ガラクト
シダーゼ(TBG4)の酵素基質複合体の X 線結晶構造解析、アンサンブルリファ
インメント、ドッキングシミュレーションを行った。X 線結晶構造解析で決定し
た複合体構造の触媒部位に着目すると、サブサイト−1 位ではガラクトース残基
と酵素との相互作用が保存されていた。サブサイト+1 位は触媒ポケット入口の
大きく開いた部分に位置しており、基質の種類により酵素との相互作用様式に
差異がみられた。また、アンサンブルリファインメントでは、反応性の高い基質
が結合している時ほど触媒部位のゆらぎが小さく、反応性が低い基質ほど触媒
部位のゆらぎが大きいことが示された。さらに、ドッキングシミュレーションの
結果から反応性が高い基質ほど触媒部位に生産的に結合しやすく、反応性の低
い基質は非生産的に結合しやすいことが示された。また、TBG4 は長いガラクタ
ンを認識して加水分解する可能性も示された。これらの結果から TBG4 の基質
認識機構を解明するとともに、TBG4 は触媒ポケット入口が広く開いた構造を
とるために様々な結合様式のガラクトオリゴ糖を認識できるが、その反応性の

高さは触媒部位への基質の結合のしやすさおよび安定性と関係があると結論づ
けた。
第三章では、担子菌 Phanerochaete chrysosporium 由来 GH43 エキソ−β−
1,3−ガラクタナーゼ(Pc1,3Gal43A)の酵素基質複合体の X 線結晶構造解析と
アンサンブルリファインメントを行なった。構造解析の結果、Pc1,3Gal43A は
GH43 サブファミリー24(GH43_sub24)に典型的にみられる 5 枚羽根プロペ
ラ構造の触媒ドメインと、炭水化物結合モジュール(CBM)ファミリー35 にみ
られるβ−ゼリーロール構造の糖質結合ドメインから構成されているとわかっ
た。また、Pc1,3Gal43A の構造的特徴がβ−1,6-ガラクタン側鎖のバイパスを可
能にしていることを明らかにするとともに、アンサンブルリファインメントの
結果から、基質認識に強く関与するアミノ酸残基を特定した。一方で、本酵素の
CBM は他の多糖類に対して結合性を示す構造既知の CBM35 とは異なるメカニ
ズムで基質を認識していることを明らかにした。
第四章の総括では、植物が多数の GH35β−ガラクトシダーゼを産生し、他の
ファミリーに分類されるエンド型の酵素は産生しないのに対して、微生物では
様々なファミリーにまたがる酵素遺伝子を有し、さらに菌種によって保有する
酵素の種類や遺伝子数に違いがみられることから、各生物の生存環境の違いに
起因する特徴であることを議論した。植物と担子菌のエキソ型ガラクタン分解
酵素の基質認識機構の相違点が、今後ガラクタンの構造解析やガラクタン分解
に関する研究の足掛かりになることを論じた。
以上、本論文は、ガラクタンを非還元末端から分解するエキソ型ガラクタン分
解酵素に着目し、植物と担子菌がそれぞれ産生する酵素の酵素基質複合体の立
体構造解析を行い、各酵素の機能と構造の相関や生物種によるガラクタン分解
機構の差異を明らかにしており、学術上応用上寄与するところが少なくない。よ
って、審査委員一同は本論文が博士(農学)の学位論文として価値あるものと認
めた。

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