アミロマルターゼ

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序論

葉における一過性デンプンは、日中に葉緑体内に貯蔵され、夜間に分解されて輸送（エクスポート）される。複数の研究グループが、ホウレンソウから単離したインタクトな葉緑体におけるデンプン分解を検討してきた。初期の実験では、リン酸存在下において、デンプン分解の主要産物はトリオースリン酸および3-ホスホグリセリン酸であることが示された。リン酸非存在下では、デンプンはマルトースおよびグルコースにも変換され得る。StittおよびHeldt（1981）は、リン酸分解（phosphorolytic）によるデンプン分解が主要経路であることを示した。他グループのデータは、リン酸分解および加水分解（hydrolytic）の双方が重要であることを示唆している。

ServaitesおよびGeiger（2002）は、夜間に葉緑体から輸送される動員産物の主要成分がグルコース、マルトースおよびイソマルトースであることを見出した。一方、RitteおよびRaschke（2003）は、孔辺細胞の葉緑体において光条件下でデンプン分解が起こると、マルトースの大量輸送が生じることを示した。Weiserら（2003）は、消灯後1～3時間以内に輸送される主要産物がマルトースおよびグルコースであり、イソマルトースは含まれないことを見出した。なお、一過性デンプン分解により放出された炭素の主要な行き先はスクロース合成である。葉緑体から多量のマルトースが輸送されることは、細胞質においてマルトースをスクロース合成前駆体へ代謝する酵素群が存在することを示唆する。

アミロマルターゼは、II型4-α-グルカノトランスフェラーゼ（GTase；EC 2.4.1.25）であり、ある1,4-α-グルカン分子から別の1,4-α-グルカン分子、またはグルコースへの分子間グルカン転移反応を触媒する。アミロマルターゼは最初にEscherichia coliで発見され、その遺伝子（malQ）はStreptococcus pneumoniae、Escherichia coli、Thermus aquaticusおよびClostridium butyricumからクローニングされた。BoosおよびShuman（1998）は、マルトースおよびマルトデキストリンが、アミロマルターゼ（MalQ）、マルトデキストリンホスホリラーゼ（MalP）およびマルトデキストリングルコシダーゼ（MalZ）により、グルコースおよびG1Pへ異化されることを示した。

D-酵素

植物にも、同様のII型4-α-GTaseである不均化酵素（disproportionating-enzyme；D-酵素）が存在する。D-酵素は最初にジャガイモ塊茎で発見され、その後、多くの植物器官で見出された。プラスチド型D-酵素をノックアウトすると、GTase活性の大部分が葉緑体に存在することが示された。プラスチド型D-酵素は、短鎖オリゴ糖をより長鎖へ変換し、プラスチド型デンプンホスホリラーゼおよびβ-アミラーゼの基質を供給する役割を担う。プラスチド型D-酵素を欠損するArabidopsis（dpe1-1）では、マルトトリオース～マルトヘプタオースが蓄積するが、マルトースは蓄積しない。

2000年にArabidopsisのゲノム配列が完成した後、4-α-GTaseをコードすると予測される別の遺伝子が第2染色体上（At2g40840）に見出された。この遺伝子は、Target-Pによる判定では標的化配列をコードしていないように見え、当該酵素は細胞質に存在すると予測される。本酵素の機能を検討するため、細胞質アミロマルターゼ（DPE2）転写産物を完全に欠損するArabidopsis thaliana（L）Heynh.のT-DNAノックアウト変異体2系統が同定され、Arabidopsis葉の細胞質におけるマルトース代謝は、E. coliの細胞質におけるマルトース代謝と類似していることが提唱された。

図1．dpe2-1およびdpe2-2座位の構造（Lu, Y.; Sharkey, T.D. 2004）

考察

Arabidopsisにおいて本代謝に関与する細胞質多糖の実体は不明であるが、ヘテログリカンがホスホリラーゼ反応を開始し得る能力が重要であると考えられる。細胞質に多糖プールを有することの利点としては、以下が挙げられる可能性がある。(1) 夜間のデンプン分解により生成するマルトースやグルコースなどの炭水化物が、需要およびスクロース輸送を上回る場合のオーバーフローとして機能し、細胞質における可溶性デンプンプールとして作用する。(2) 多糖を形成することで、細胞質における総糖のモル濃度を低く維持し、細胞が細胞内浸透圧を適正に保つことで、細胞質における全体的な代謝反応に有利な環境を維持できる。

結論として、DPE2遺伝子はArabidopsisにおけるマルトース代謝に必須である。Arabidopsis葉の細胞質におけるマルトース代謝は、E. coliにおけるそれと類似している。デンプン中の炭素をスクロースへ変換する主要機構がマルトース／マルトデキストリン系であるならば、関与酵素の制御機構が解明されるにつれて、デンプン代謝の制御はより理解しやすくなる可能性がある。

図2．一過性デンプン分解およびスクロースへの変換に関する仮説的経路（Lu, Y.; Sharkey, T.D. 2004）