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アルギン酸リアーゼ

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公式フルネーム
アルギン酸リアーゼ
背景
酵素学において、ポリ（β-D-マンヌロナート）リアーゼ（EC 4.2.2.3）は、以下の化学反応を触媒する酵素である。すなわち、β-D-マンヌロナート残基を含有する多糖を脱離的に開裂し、末端に4-デオキシ-α-L-エリトロ-ヘキサ-4-エノピラヌロノシル基を有するオリゴ糖を生成する。本酵素はリアーゼ類に属し、特に多糖に作用する炭素–酸素リアーゼに分類される。また、本酵素はフルクトースおよびマンノース代謝に関与する。
同義語
アルギン酸リアーゼI；アルギン酸リアーゼ；アルギナーゼI；アルギナーゼII；アルギナーゼ；ポリ（β-D-1,4-マンヌロニド）リアーゼ；EC 4.2.2.3；CAS 40591-57-9

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序論

アルギン酸は褐藻類において乾燥重量の約40%を占める、最も豊富な多糖類である。アルギン酸は、β-D-マンヌロン酸（M）およびα-L-グルロン酸（G）を単量体単位として構成される。これらの単位は、ポリβ-D-マンヌロン酸（polyM）、ポリα-L-グルロン酸（polyG）、およびヘテロポリマー（polyMG）という3種類の異なるブロックとして連結している。一部の細菌はアルギン酸を生合成することができ、抗生物質や乾燥などの有害因子に曝露された際には、アルギン酸が保護的役割を果たし得る。アルギン酸オリゴ糖は、アルギン酸リアーゼまたは物理化学的手法によるアルギン酸の脱重合によって得られる産物である。現在、食品産業および製薬産業における幅広い応用可能性から、注目が高まっている。同様に、アルギン酸を温和に分解するためのアルギン酸リアーゼも、各分野で研究の焦点となっている。アルギン酸リアーゼは、グリコシド結合のβ脱離反応によりアルギン酸を分解し、非還元末端に二重結合を有する不飽和オリゴ糖を生成する。現在、アルギン酸リアーゼ、特にエンド型アルギン酸リアーゼは、アルギン酸オリゴ糖の製造、紅藻および褐藻のプロトプラスト調製、ならびにアルギン酸の微細構造の解明に広く利用されている。さらに、アルギン酸リアーゼは細菌性多糖バイオフィルムを分解することもでき、嚢胞性線維症の治療において大きな可能性を示している。

起源および分類

アルギン酸リアーゼは、海藻、海産軟体動物、ならびに多様な海洋性および陸生細菌など、さまざまな起源から単離されている。加えて、一部のリアーゼは真菌およびウイルスからも単離されている（表1）。基質特異性に基づき、アルギン酸リアーゼは2つのカテゴリーに分類される。すなわち、Gブロック特異的リアーゼ（polyGリアーゼ、EC 4.2.2.11）と、Mブロック特異的リアーゼ（polyMリアーゼ、EC 4.2.2.3）である。作用様式の違いにより、エンド型およびエキソ型アルギン酸リアーゼに区分される。エンド型アルギン酸リアーゼはアルギン酸ポリマー内部のグリコシド結合を切断して不飽和オリゴ糖を遊離し、一方、エキソ型アルギン酸リアーゼはオリゴ糖をさらに分解して単量体へと変換する。一次構造における疎水性クラスターの解析に基づき、アルギン酸リアーゼは7つの多糖リアーゼ（PL）ファミリー（PL-5、-6、-7、-14、-15、-17、-18）に分類される。細菌由来のエンド型アルギン酸リアーゼの一部はPL-5およびPL-7に割り当てられている。海産軟体動物およびウイルスから単離されたリアーゼはPL-14ファミリーに集約される。細菌由来のアルギン酸リアーゼの大部分はPL-5、-7、-15および-17ファミリーに分類される。二機能性アルギン酸リアーゼはPL-18ファミリーに属し、その他のリアーゼは残りの6ファミリーに分散している。さらに、分子量に基づき、アルギン酸リアーゼは小型（25–30 kDa）、中型（約40 kDa）、大型（>60 kDa）の3カテゴリーに分類される。

異なる起源に由来する各PLファミリーのアルギン酸リアーゼとその基質特異性 表1. 異なる起源に由来する各PLファミリーのアルギン酸リアーゼとその基質特異性（Zhu, B.W.; Yin, H. 2015）

基質特異性

アルギン酸は、M-M、M-G、G-GおよびG-Mといった4種類の結合様式から構成され、各結合の割合は異なる。アルギン酸リアーゼは、図1に示すように、異なる基質タイプに対する優位な切断作用に基づいて分類される。M含量の高いアルギン酸を選好するアルギン酸リアーゼはpolyMリアーゼ（EC 4.2.2.3）に分類され、G含量の高いアルギン酸を選好するリアーゼはpolyGリアーゼ（EC 4.2.2.11）に分類される。アルギン酸リアーゼがpolyMリアーゼまたはpolyGリアーゼと称される場合であっても、一般に当該酵素は他方のホモポリマーに対して中程度または低いプロセシビティを示す。現在、これらの課題は高精度・高感度の技術を用いることで解決されつつある。現時点では、特異的な基質特異性を有するアルギン酸リアーゼに関する報告もあり、例えばATCC43367由来のリアーゼはM-M結合のみを切断すると報告されている。海産軟体動物 Laambis sp から単離されたアルギン酸リアーゼはpolyGに対してのみ高い活性を示した。しかし、polyMおよびpolyGの双方に活性を示すアルギン酸リアーゼも存在し、これらは二機能性リアーゼとみなされる。例として、Pseudoalteromonas sp. SM0524由来のアルギン酸リアーゼAlySJ-02、Pseudoalteromonas sp IAM14594由来のAlyPEEC、Pseudoalteromonas atlantica AR06由来のAlyA、ならびにPseudoalteromonas sp. 272由来のAlyが挙げられる。

アルギン酸リアーゼの基質特異性および分解産物の構造 図1. アルギン酸リアーゼの基質特異性および分解産物の構造（Zhu, B.W.; Yin, H. 2015）

References

  1. Wong, T.Y.; et al. Alginate Lyase: Review of Major Sources and Enzyme Characteristics, Structure-Function Analysis, Biological Roles, and Applications. Annual Review of Microbiology. 2000, 54(1): 289-340.
  2. Zhu, B.W.; Yin, H. Alginate lyase: Review of major sources and classification, properties, structure-function analysis and applications. Bioengineered. 2015, 6(3): 125-131.
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