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エンド-1,4-β-ガラクタナーゼ

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公式フルネーム
エンド-1,4-β-ガラクタナーゼ
背景
アラビノガラクタン・エンド-β-1,4-ガラクタナーゼは、系統名をアラビノガラクタン 4-β-D-ガラクタンヒドロラーゼとする酵素である。本酵素は、I型アラビノガラクタンにおける（1→4）-β-D-ガラクトシド結合を特異的に加水分解する。
同義語
EC 3.2.1.89；エンド-1,4-β-ガラクタナーゼ；ガラクタナーゼ；アラビノガラクタナーゼ；ganB（遺伝子）；アラビノガラクタン・エンド-β-1,4-ガラクタナーゼ；アラビノガラクタン 4-β-D-ガラクタノヒドロラーゼ；エンド-1,4-β-ガラクタナーゼ
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序論

植物バイオマスの処理は、極めて重要であり、かつその価値が増大している産業分野である。現在、植物細胞壁の酵素的分解が大きな関心を集めている。植物細胞壁の主要構成成分はペクチンであり、ホモガラクツロナンからなる平滑領域と、ラムノガラクツロナンからなる毛状領域で構成される。ラムノガラクツロナンIは毛状領域で最も豊富な成分であり、α-1,2結合のL-ラムノースとα-1,4結合のD-ガラクツロン酸が交互に連なる単位から構築された多糖である。ラムノースのC4位は、アラビナン、ガラクタン、アラビノガラクタン等の多糖分岐の結合部位として利用され得るため、ラムノガラクツロナンは高度に分岐し、「毛状領域」を形成する。 

現在、ラムノガラクツロナーゼAおよびラムノガラクツロナンアセチルエステラーゼの構造情報が取得されており、これらはラムノガラクツロナンIの主鎖に作用する。また、ガラクタンおよびアラビノガラクタン分岐中のβ-1,4結合に作用する3種のβ-1,4-ガラクタナーゼ（GAL）も報告されている。GALはグリコシド加水分解酵素ファミリー53に属し、クランGH-Aの一員である。研究者らは、Aspergillus aculeatus由来の真菌GALの構造を決定しており、これはβ-1,4-ガラクタナーゼおよびファミリー53酵素として初めて利用可能となった構造である。

BLGALの全体構造

Bacillus licheniformis ガラクタナーゼ（BLGAL）は空間群P21で結晶化し、非結晶学的対称性で関連付けられる2分子はほぼ同一である。ネイティブタンパク質と複合体の構造は非常に類似しており、全体のフォールディングは規則的な（βα）8バレル構造を呈する。βストランド1および3に続くループ、ならびにβストランド8に続く約65残基からなる長いループには、追加の二次構造要素が含まれる。バレル上部にはカルシウムイオンが存在し、触媒残基からは離れている（>16 Å）。このカルシウムイオンは、βストランド7に続く2本の長いループ（Asp272、Asp274、His276、Asn278）およびβストランド8に続くループ（Ser367、Asp370）の残基により配位されている。

Stereo illustration of the overall structure of BLGAL 図1. BLGAL全体構造のステレオ図

活性部位および基質結合溝

BLGALでは、触媒酸／塩基はβストランド4末端のGlu165であり、βストランド7末端のGlu263は触媒求核剤として機能する。複合体で同定されたガラクトビオースおよびガラクトトリオースの結合部位は、それぞれ2つのサブサイト（22および23）および3つのサブサイト（22、23、24）を含む。Trp115、Trp3347、およびTrp36残基が基質結合に関与し、図2（a）および（b）に示すとおり、それぞれサブサイト22、23、24における3つのピラノース単位の足場として機能する。タンパク質とガラクトオリゴ糖との詳細な相互作用は図2（c）および（d）に示す。

Close-up views of substrate binding subsites 24, 23 and 22 in the final models for the galactobiose and galactotriose complexes, respectively 図2. ガラクトビオースおよびガラクトトリオース複合体の最終モデルにおける基質結合サブサイト24、23、22の拡大図

考察

Bacillus 属由来のGALと比較すると、真菌GALはガラクタンをより完全に分解できる。小型オリゴ糖がBLGALに非生産的に結合することが、本酵素がAAGALほど効率的にβ-1,4-ガラクタンを分解できない理由を説明し得る。3つのトリプトファン残基は、サブサイト-4、-3、-2の芳香族プラットフォームを形成する。これら3残基は基本的に糖環に対して平行であり、そのα側にスタッキングする。この広範な平行相互作用は、β-1,4結合オリゴ糖と、特異性の異なるGH-Aクランの多糖加水分解酵素との間で共通して認められる。BLGALとオリゴ糖複合体の構造は、GH-53ガラクタナーゼに関する理解を深化させるとともに、ガラクタン断片、あるいは任意のyエクアトリアル-アキシアルO結合オリゴ糖についての初の結晶学的像を提供する。基質結合溝の形状および表面における芳香族側鎖の分布は、クランGH-A酵素における多糖基質の形状を反映している。BLGALでは、Trp115、Trp347、Trp363の側鎖が、らせん状コンフォメーションのガラクトトリオースを結合するように配置されている。多糖と多糖分解酵素との形状相補性が、認識機能および特異性において重要な役割を果たすことが示唆される。 

References

  1. Ryttersgaard, C.; et al. The Structure of Endo-β-1,4-galactanase from Bacillus licheniformisin Complex with Two Oligosaccharide Products. Journal of Molecular Biology. 2004, 341(1): 107-117.
  2. Le Nours, J.; et al. Investigating the binding of β-1,4-galactan to Bacillus licheniformisβ-1,4-galactanase by crystallography and computational modeling. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. 2009, 75(4): 977-989.
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