アパーゼ

酸性ホスファターゼ（AP/APase）（オルトリン酸モノエステルホスホヒドロラーゼ、EC 3.1.3.2）は、pH 4～7の酸性条件下でリン酸モノエステルの加水分解を触媒する。APファミリーの一部は、触媒中心に異なる原子価の2種の金属イオンを有するメタロヒドロラーゼである。多くのアイソフォームは、チロシン残基からFe（III）への電荷移動により特徴的な紫色を呈するため、パープル酸性ホスファターゼ（PAP）と呼ばれる。また、一部のアイソフォームは酒石酸阻害に感受性を示す一方で、L（+）-酒石酸による阻害に対して不感受性であることから、酒石酸抵抗性酸性ホスファターゼ（TRAP）とも称される。本酵素は自然界に広く存在し、植物、動物、ならびに細菌・真菌などの下等生物で研究されてきた。各種代謝過程において重要な役割を担う。

分布

APは、下等生物から高等生物に至るまで、あらゆる生物系に広く分布する。植物では、Pisum sativumおよびNicotiana tobaccumの細胞壁、N. tobaccumの師部、Vigna aconitifoliaのシュートなど、さまざまな部位でAPが発現する。動物では、ウシおよびヒトの脾臓、骨、マクロファージから単離されている。これに加え、前立腺酸性ホスファターゼは前立腺、肝臓、脾臓、脳から同定・特性解析されている。リソソーム酸性ホスファターゼは肥満細胞のリソソームから単離された。真菌種における報告もある。Saccharomyces cerevisiaeでは、周辺質空間、細胞壁、ならびに一部の細胞小器官に局在する。さらに、一部の原核生物ゲノムには、ヒトおよび植物のPAPと相同な配列が存在する。

分子構造

HMW（高分子量）植物PAPの各サブユニットは2つのドメインを有する。第1は機能未解明のアミノ末端ドメインで、サンドイッチ状のβシートにより形成される。第2は触媒ドメイン、すなわちカルボキシ末端ドメインである。触媒ドメインは混合βシート（α/βストランド）から構成される。これに対し、LMW（低分子量）哺乳類TRAPは、植物PAPの触媒ドメインに類似した単一ドメインのみを有する。一般にPAPは、活性部位において高度に保存された7つのアミノ酸リガンドにより、2つの金属イオンが2つの配位圏を形成する。

PAP/TRAPでは、2つの金属イオンのうち一方はチロシン残基との電荷移動に関与する三価鉄イオン（Fe3+）であり、もう一方は二価金属イオンで、Fe、Zn、またはMnである場合がある。哺乳類TRAPでは第2金属部位にFe（II）を含み、同様に植物および原核生物由来のPAPでは二価金属としてZn（II）またはMn（II）を有する。金属—リガンド配位に関与する7つのアミノ酸残基の特定パターンは、原核生物から真核生物に至る多くの種で不変である。したがって、この特徴的配列はPAP/TRAPのシグネチャー配列とみなされる。Fe（III）はチロシン、ヒスチジン、アスパラギン酸残基により配位され、M（II）はアスパラギンおよび2つのヒスチジン残基により配位される。多くのAPはN結合型オリゴ糖鎖を有する糖タンパク質である。各種由来の酵素サブユニットのアミノ末端には、N-グリコシル化の特異的部位が認められている。

触媒機構

図1．PAPに提唱されている触媒機構。（Schenk G; et al. 2008）

植物、動物、細菌におけるAPの触媒部位はある程度相同性を有するため、類似の触媒機構に従う可能性がある。各種由来APの結晶構造は詳細に解析されているものの、本酵素の触媒機構についてはさらなる解明が必要である。反応機構に関しては複数の仮説が提唱されている。Klabunde et al.がインゲンマメ（red kidney bean）PAPについて提唱した機構では、二価金属イオンが基質の単座配位リン酸基に結合し、Fe（III）に結合した水酸化物イオンが求核剤として作用する。一方、サツマイモで提唱された機構では、基質が2種の金属に対して三脚型（tripodal）に配位し、活性中心の異原子価金属イオンが基質リン酸基の2つの酸素原子に架橋し、さらに両金属イオンを架橋する第3のリン酸酸素が加水分解を開始する。三価鉄は求核剤、すなわち金属結合μ-ヒドロキソ基を活性化し、ホスホエステル結合を開裂させる。インゲンマメPAPの包括的な構造解析は、その触媒挙動に関する知見を提供する。加えて、いくつかの金属置換研究により、触媒特性における金属イオンの重要性が示されている。さらに、哺乳類TRAPにおける変異導入および結晶学的研究では、酵素—基質複合体形成を阻害することで触媒活性を制御する抑制ループ（repression loop）が報告されている。ヒトPAPの結晶構造では、このループ上のAsp145のカルボキシ側鎖が2つの金属イオンを架橋する二座配位子として作用し、触媒部位を遮断する。

応用

• ストレス耐性植物品種の開発

リン酸（Pi）肥料はリン鉱石などの非再生資源に由来し、過剰使用は水域の富栄養化を助長する。これら非再生天然資源および環境を保全するため、持続可能な農業が推進されている。植物の遺伝子工学は作物品種改良の革新的アプローチの一つである。これにより、Pi欠乏誘導性遺伝子を植物に導入し、リン欠乏を克服することが可能となる。これまでに、A. thaliana、N. tobaccum、P. vulgarisなど複数の植物由来のPi欠乏誘導性PAPの各種アイソフォームが単離され、詳細に特性解析されている。

• 臨床診断および予後評価におけるTRAP

ヒトでは、TRAPアイソフォーム5aおよび5bがさまざまな組織に分布する。二量体TRAP 5bは主として破骨細胞で発現し、TRAP 5aはマクロファージや樹状細胞など、病原体プロセシングに関与する免疫細胞により産生される。両アイソフォームは、それぞれ、各臓器における慢性炎症および骨粗鬆症、がんの骨転移などの骨関連疾患のバイオマーカーとして利用可能である。

• 固定化AP

固定化酵素の最も重要な用途は、各種バイオセンシングデバイスの構築である。これらのセンサーは、環境汚染物質および重金属の検出に有用である。APとポリフェノールオキシダーゼを用いたアンペロメトリック・バイオセンサーが構築され、水中のAs（V）汚染の検出に用いられている。

参考文献