キチナーゼ

キチンおよびキチナーゼは自然界に広く存在する。キチン（chitin）は、β-1,4-N-アセチルグルコサミンを基本単位とする直鎖状ポリマーであり、天然高分子の中で含有量は第2位に位置する。キチンは多くの真菌の細胞壁の主要構成成分であるほか、昆虫の外骨格や消化管にも存在する。キチナーゼは微生物、植物、動物で見出されており、その機能も生物種により異なる。

分布

1905年、Beneckeはキチンを栄養源として利用可能な微生物を単離し、Bacillus chitinovirousと命名した。その後、より多様な微生物、植物、動物からキチナーゼが単離・精製されている。

表1　キチナーゼの分布および基本特性

分類

キチナーゼの分類法は一般に3つある。第一に、国際生化学連合（IUB）の命名委員会により定められた分類体系である。キチナーゼはセルラーゼと多くの共通点を有し、いずれも同じグリコシド加水分解酵素に属することから、国際的に受容されている酵素分類体系においてキチナーゼはEC 3.2.1.14と命名されている。この分類法の欠点は、キチナーゼ内の進化的関係を反映しない点にある。第二に、酵素のアミノ酸配列に基づき、キチナーゼおよびN-アセチルヘキソサミニダーゼをファミリー18、19、20の3ファミリーに分類する方法である。ファミリー18および19は、ウイルス、細菌、真菌、昆虫、植物など多様な由来の細胞内キチナーゼから構成される。ファミリー19は主として植物キチナーゼから構成される。ファミリー20のキチナーゼは比較的少数である。第三に、植物はキチナーゼを大量に産生することから、植物キチナーゼを遺伝子配列に基づきI〜VI型の6タイプに分類する方法である。この分類法による酵素の記載は、主として以下の観点を含む：N末端配列、酵素局在、等電点、シグナルペプチド、誘導因子。

生物学的機能

キチナーゼは微生物、動物、植物において異なる役割を担う。真菌、原生動物、無脊椎動物では、キチナーゼは成長および形態形成に関与する。一部の細菌では、キチナーゼが不溶性キチンを分解して栄養として利用し、キチンを炭素源およびエネルギー源として活用する。酵母（Saocharomyces）では、キチンは細胞壁の1%を占めるに過ぎないが、細胞の世代間を隔てる隔壁にキチンが大量に沈着することから、酵母細胞の増殖および分離過程にキチナーゼが必要であることが示唆される。現時点の研究では、キチナーゼは高等植物および脊椎動物における防御タンパク質である。キチナーゼは特定の根粒形成因子を分解する作用を有する。キチナーゼが根粒形成因子のレベルを制御することで植物と根粒菌のバランスを調整し、共生的窒素固定に関与している可能性が推定されている。

特性

キチナーゼは誘導性酵素である。多くの研究により、脊椎動物および植物のキチナーゼが誘導性であることが示されている。高等植物は、病原体およびそのエリシター、エチレン、サリチル酸、紫外線、重金属、機械的損傷などにより誘導されると、キチナーゼ活性が迅速に上昇し、一定程度の防御効果が得られる。特定の微生物および動物由来キチナーゼは、分解により低分子量のキチナーゼを形成し得る。キチナーゼの発現は時間的推移および組織特異性も示す。植物キチナーゼの産生は植物の抵抗性と関連する一方、多くの植物において特定の発生段階や特殊組織にもキチナーゼの存在が認められている。植物では頂端部ではほとんど検出されないが、基部の老葉および根には豊富に存在する。したがって、キチナーゼは、植物が発生過程の一部の段階において不利な外的環境に適応し、発生過程を円滑に完遂するために獲得した防御機構であると考えられる。寄生性線虫が産生するキチナーゼは特異性および時間依存性を示し、その発育および伝播に重要な役割を果たす。

応用

• 植物病原性真菌の防除におけるキチナーゼの応用

多くの植物病原性真菌の細胞壁の主要構成成分はキチンである。in vitroの静菌試験により、キチナーゼが一部の病原性真菌の胞子発芽および菌糸成長を阻害し得ることが示されている。植物が病原体に感染すると、キチナーゼ活性の上昇を含む一連の能動的防御応答を誘導する。したがって、キチナーゼは長らく植物真菌病に対する潜在的な防除因子として位置付けられてきた。1980年代以降、研究者はキチナーゼ遺伝子をタバコ、トマト、ダイズ、ジャガイモ、レタス、ブドウ、テンサイなどの植物に導入し、キチナーゼ活性を発現する遺伝子組換え植物を作出している。非組換え植物と比較して、遺伝子組換え植物は真菌に対する抵抗性のみならず、線虫、昆虫、その他の病原性生物に対する抵抗性も示す。

• 生物学的防除におけるキチナーゼの応用

寄生虫Brugia malayiおよびWuchereria bancroftiでは、生殖および伝播過程にキチナーゼが関与することから、キチナーゼはこれら2種の寄生性線虫を制御するためのワクチン候補として利用可能である。1992年、Furhman et al.は、モノクローナル抗体MF1がスナネズミにおいて寄生性ミクロフィラリアの表層成分を分解し得ること、ならびに当該抗体が複数の細菌および酵母キチナーゼと高い相同性を有することを報告した。Trichoderma harzianum、Rhizoctonia solani、Leishococcus、Bacillusなどの一部の生物防除細菌では、キチナーゼやグルカナーゼ等の細胞壁分解酵素を産生することが生物防除機構の一つである。さらに、キチナーゼが発育の特定段階において害虫や蚊を殺滅または抑制し得ることも報告されており、多量の農薬を使用せずに蚊およびこれら害虫の個体数を制御する手段として、キチナーゼの利用が想定されている。

• キチナーゼ分解産物の応用

キチンの加水分解により生成するアミノオリゴ糖は、植物および動物の生命代謝の調節において極めて重要な役割を担う。N-アセチルグルコサミン自体は抗炎症薬として使用可能であり、大腸潰瘍および消化管潰瘍性疾患に対する治療効果を有する。さらに、アミノオリゴ糖は免疫誘導因子として植物の防御応答を誘導する目的で利用できる。動物においても、アミノオリゴ糖は免疫能の改善や腫瘍細胞増殖の抑制などの生理活性を示す。