キチナーゼ

キチンとキチナーゼは自然界に広く存在しています。キチンは、β-1,4-N-アセチルグルコサミンを基本単位とする線状ポリマーであり、自然ポリマーの中でその含有量は第二位です。キチンはほとんどの真菌の細胞壁の主要成分でもあり、昆虫の外殻や腸にも見られます。キチナーゼは微生物、植物、動物に存在し、その機能も異なります。

分布

1905年、ベネッケはキチンを栄養源として利用できる微生物を分離し、Bacillus chitinovirousと名付けました。それ以来、人々はより多くの微生物、植物、動物からキチナーゼを分離・精製しています。

表1 キチナーゼの分布と基本特性

分類

キチナーゼの分類には一般的に3つの方法があります。第一に、国際生化学連合の命名委員会によって決定された分類システムです。キチナーゼとセルロースは多くの類似点があり、どちらも同じ糖鎖加水分解酵素に属するため、キチナーゼは国際的に受け入れられた酵素分類システムによってEC 3.2.1.14と名付けられています。この分類方法の欠点は、キチナーゼ内の進化的関係を反映していないことです。第二に、キチナーゼとN-アセチルヘキソサミニダーゼは、酵素のアミノ酸配列に基づいて、ファミリー18、19、20の3つのファミリーに分類されます。ファミリー18と19は、ウイルス、細菌、真菌、昆虫、植物などのさまざまな出所からの細胞内キチナーゼで構成されています。ファミリー19は主に植物キチナーゼで構成されています。ファミリー20のキチナーゼは比較的小さいです。第三に、植物は大量のキチナーゼを生成するため、植物キチナーゼはその遺伝子配列に基づいて、タイプI-VIの6つのタイプに分類されます。この分類方法による酵素の説明には、主に以下の側面が含まれます：N末端配列、酵素の局在、等電点、シグナルペプチドおよび誘導因子。

生物学的機能

キチナーゼは微生物、動物、植物で異なる役割を果たします。真菌、原生動物、無脊椎動物では、キチナーゼはそれらの成長と形態形成に関与しています。一部の細菌では、キチナーゼが不溶性のキチンを分解し、栄養源として利用することができ、これによりキチンを炭素源およびエネルギー源として利用します。酵母（Saocharomyces）では、キチンは細胞壁の1%しか構成していませんが、2世代の細胞の間の隔壁に大量のキチンが沈着していることが示されており、酵母細胞の増殖と分離の過程でキチナーゼが必要であることを示しています。現在の研究によれば、キチナーゼは高等植物や脊椎動物における防御タンパク質です。キチナーゼは特定の結節因子に対して分解効果を持ち、キチナーゼが結節因子のレベルを制御することによって植物と根粒菌のバランスを取ると推測され、これにより共生的な窒素固定に参加します。

特性

キチナーゼは誘導可能です。多くの研究により、脊椎動物や植物のキチナーゼは誘導可能であることが示されています。高等植物が病原体やその誘導因子、エチレン、サリチル酸、紫外線、重金属、機械的損傷などによって誘導されると、キチナーゼ活性が急速に増加し、植物はある程度保護されます。特定の微生物や動物のキチナーゼは、分解後に分子量の低いキチナーゼを形成することがあります。キチナーゼの発現は時間的系列および組織特異的でもあります。植物のキチナーゼの生成は植物の抵抗性に関連していますが、キチナーゼは多くの植物の特定の発生段階や特別な組織にも存在することが確認されています。植物では、頂部ではほとんどキチナーゼが検出されませんが、古い葉や根の基部には豊富に存在します。したがって、キチナーゼは植物の発生過程のいくつかの発生段階において不利な外部環境に適応するために発展した保護メカニズムであり、発生過程の円滑な完了を確保します。寄生性線虫によって生成されるキチナーゼは特異的で時間依存的であり、その発生と伝播において重要な役割を果たします。

応用

• 植物病原真菌の制御におけるキチナーゼの応用

多くの植物病原真菌の細胞壁の主要成分はキチンです。In vitroの細菌静止試験では、キチナーゼが一部の病原真菌の胞子発芽と菌糸成長を抑制できることが示されています。植物が病原体に感染すると、キチナーゼの活性が増加するなど、一連の活発な防御反応を生成します。したがって、キチナーゼは長い間、植物の真菌病に対する潜在的な物質と見なされてきました。1980年代以降、科学者たちはキチナーゼ遺伝子をタバコ、トマト、大豆、ジャガイモ、レタス、ブドウ、砂糖ビートなどの植物に移植し、キチナーゼ活性を発現する遺伝子組換え植物を得ました。非遺伝子組換え植物と比較して、遺伝子組換え植物は真菌に対してだけでなく、線虫、昆虫、その他の病原体に対しても耐性があります。

• 生物的制御におけるキチナーゼの応用

寄生虫Brugia malayiおよびWuchereria bancroftiは、繁殖および伝播の過程にキチナーゼが関与しているため、キチナーゼはこれら2つの寄生性線虫を制御するための候補ワクチンとして使用できます。1992年、フールマンet alは、モノクローナル抗体MF1がジャービルの寄生微小フィラリアの周辺成分を分解できることを報告し、この抗体は複数の細菌および酵母のキチナーゼと高い相同性を持っています。一部の生物制御細菌（Trichoderma harzianum、Rhizoctonia solani、Leishococcus、Bacillusなど）の生物制御のメカニズムの1つは、キチナーゼやグルカナーゼなどの細胞壁分解酵素の生成です。さらに、研究により、キチナーゼが特定の発生段階で害虫や蚊を殺したり防いだりできることがわかっており、キチナーゼを使用して蚊やこれらの害虫の数を制御できることが期待されています。

• キチナーゼ分解産物の応用

キチンの加水分解によって生成されるアミノオリゴ糖は、植物や動物の生命代謝を調節する上で非常に重要な役割を果たします。N-アセチルグルコサミン自体は抗炎症薬として使用でき、大腸潰瘍や消化管潰瘍障害に対する治療効果があります。さらに、アミノオリゴ糖は免疫誘導因子として使用され、植物に防御反応を生成させることができます。動物においても、アミノオリゴ糖は免疫改善や腫瘍細胞の成長抑制などの生理活性を持っています。