アパセ

酸性ホスファターゼ (AP/APase) (オルトホスホリック-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します。APファミリーのメンバーの中には、触媒中心に二つの異なる金属イオンを持つメタロヒドロラーゼが少数存在します。ほとんど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示します。したがって、これらは紫色酸性ホスファターゼ (PAP) と呼ばれています。また、L(+)-タルトレート阻害に対して感受性がないため、タルトレート耐性酸性ホスファターゼ (TRAP) という名前も付けられていますが、一部のアイソフォームはタルトレート阻害に感受性があります。これは自然界に豊富に存在し、植物、動物、細菌や真菌のような低次生物で研究されています。さまざまな代謝プロセスにおいて重要な役割を果たしています。

分布

APは、低次生物から高次生物までのすべての生物系に広く分布しています。Pisum sativum や Nicotiana tobaccum の細胞壁、N. tobaccum の篩管、Vigna aconitifolia のシュートなど、さまざまな植物の部位でAPが発現しています。動物では、牛、ヒトの脾臓、骨、マクロファージから分離されています。これに加えて、前立腺APは前立腺、肝臓、脾臓、脳から特徴づけられています。リソソームAPは、マスト細胞のリソソームから分離されました。また、真菌種でも報告されています。Saccharomyces cerevisiae では、ペリプラズミックスペース、細胞壁、およびいくつかの細胞小器官に局在しています。一部の原核生物のゲノムにも、ヒトおよび植物のPAPに相同な配列が含まれています。

分子構造

HMW植物PAPの各サブユニットは二つのドメインを持っています。最初のものは機能が不明なアミノドメインで、サンドイッチ状のβシートによって形成され、二つ目は触媒ドメイン、すなわちカルボキシルドメインです。触媒ドメインは混合βシート（α/βストランド）によって構成されています。対照的に、LMW哺乳類TRAPは植物PAPの触媒ドメインに類似した一つのドメインしか持っていません。一般に、PAPは二つの金属イオンからなり、活性部位において七つの高度に保存されたアミノ酸リガンドとともに二つの配位球を形成します。

PAP/TRAPにおいて、二つの金属イオンのうち一つ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、二つ目は二価金属イオンで、Fe、Zn、またはMnのいずれかであることが観察されています。哺乳類TRAPは二つ目の金属部位としてFe (II) を含み、同様に、植物および原核生物由来のPAPは二価金属イオンとしてZn (II) またはMn (II) を持っています。金属-リガンド配位に関与する七つのアミノ酸残基の特定のパターンは、原核生物から真核生物までのほとんどの種で不変です。したがって、このユニークな配列はPAP/TRAPのシグネチャー配列と見なすことができます。Fe (III) はチロシン、ヒスチジン、およびアスパラギン酸残基と配位し、M (II) はアスパラギンおよび二つのヒスチジン残基と配位します。ほとんどのAPはN結合オリゴ糖鎖を持つ糖タンパク質です。さまざまな種の酵素サブユニットのアミノ末端にはN-グリコシル化のための特定の部位が認識されています。

触媒メカニズム

図1. PAPのために提案された触媒メカニズム。 (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であるため、これらは類似の触媒メカニズムに従う可能性があります。さまざまなソースからのAPの結晶構造は徹底的に研究されていますが、この酵素の触媒メカニズムはさらに探求する必要があります。その反応メカニズムに関するいくつかの仮説が提案されています。Klabunde et al によって提案された赤いキドニービーンPAPのメカニズムによれば、二価金属イオンは基質の単座リン酸基に結合し、Fe (III) に結合した水酸化物イオンが求核剤として機能します。一方、サツマイモのために提案されたメカニズムは、基質と二つの金属種の三脚状の配位モードを示し、活性中心の異なる金属イオンが基質のリン酸基の二つの酸素原子に架橋され、三つ目のリン酸酸素が両方の金属イオンを架橋して加水分解を開始します。三価のFe金属は求核剤、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切断します。赤いキドニービーンPAPの包括的な構造分析は、その触媒挙動に関する見解を提供します。さらに、いくつかの金属置換研究は、その触媒特性における金属イオンの重要性を明らかにしています。一部の突然変異誘発および結晶学的研究は、哺乳類TRAPにおける抑制ループについて説明しており、これは酵素-基質複合体の形成を阻害することによって触媒活性を調節します。ヒトPAPの結晶構造において、このループのAsp145のカルボキシル側鎖は二価の金属イオンを架橋する二座リガンドとして機能し、したがって触媒部位をブロックします。

応用

• ストレス耐性植物品種の開発

Pi肥料は岩石リン酸のような非再生可能な資源から来ており、これらの過剰使用は水域の富栄養化を増加させます。これらの非再生可能な自然資源と環境を守るために、持続可能な農業が現在奨励されています。植物における遺伝子工学は、作物品種を改善するための革命的なアプローチの一つです。これを使用することで、リン酸欠乏を克服するために、Pi飢餓誘導遺伝子を植物に導入することができます。これまでに、A. thaliana、N. tobaccum、および P. vulgaris のようなさまざまな植物源からのPi飢餓誘導性PAPの異なるアイソフォームが分離され、詳細に特徴づけられています。

• 臨床診断および予後におけるTRAP

ヒトにおいて、TRAPアイソフォーム5aおよび5bはさまざまな組織に分布しています。二量体TRAP 5bは基本的に破骨細胞で発現し、TRAP 5aは病原体処理に関連するマクロファージや樹状細胞のような免疫細胞によって生成されます。両方のアイソフォームは、さまざまな臓器における慢性炎症や骨関連障害（骨粗鬆症、癌における骨転移など）のマーカーとして使用される可能性があります。

• 固定化AP

固定化酵素の最も重要な用途は、さまざまなタイプのバイオセンサー装置の構築です。これらのセンサーは、環境汚染物質や重金属の検出に非常に役立ちました。APとポリフェノールオキシダーゼを使用したアンペロメトリックバイオセンサーが、水中のAs (V) 汚染を検出するために構築されました。

参考文献