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グルカンスクラーゼ

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公式フルネーム
グルカンスクラーゼ
背景
中程度の耐熱性を有するグルカンスクラーゼ（4,6-α-グルカノトランスフェラーゼ、ロイテランスクラーゼ）。本酵素はスクロースからグルコース単位を転移し、α（1→4）グリコシド結合を主とし、一部にα（1→6）結合グルコシル単位を含む、高度に分岐した高分子量のα-D-グルカンを生成する。
同義語
α-グルカノトランスフェラーゼ；グルコシルトランスフェラーゼ；4,6-α-グルカノトランスフェラーゼ；EC 2.4.1.-
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序論

グルカンスクラーゼは主としてLeuconostoc mesenteroidesおよび口腔内Streptococcus属により産生され、乳酸菌（Lactococci、Lactobacilli）によっても産生され得る。これらは、スクロースからグルカンと呼ばれる高分子量のD-グルコースポリマーを合成する反応を担う。また、効率的なアクセプターが存在する条件下では、低分子量オリゴ糖の合成も触媒し得る。グリコシド結合の合成には、ヌクレオチド活性化糖および補因子の介在を必要としない。グルカンスクラーゼは、グルカンおよびオリゴ糖を産生できることから産業的価値を有し、さらにう蝕形成過程における重要な役割により生物学的にも重要である。

グルカンスクラーゼは50年以上前に初めて発見されたが、その作用機序はいまだ完全には解明されていない。生物学的に有用なオリゴ糖を合成する、あるいは歯科う蝕に対するワクチンを開発するためには、グルカンスクラーゼの位置特異性（regiospecificity）および位置選択性（regioselectivity）を規定する因子を明らかにすることが重要である。構造—機能相関の研究に加え、グルカンスクラーゼをコードする遺伝子のクローニングにより重要なアミノ酸残基が同定され、当該酵素が2つの機能ドメインから構成されることが示された。すなわち、スクロースの結合および開裂に関与するコア領域（約1000アミノ酸）と、グルカン結合に関与するタンデムリピートからなるC末端ドメイン（約500アミノ酸）である。酵素学的研究からは作用機序に関する複数のモデルが提唱されている。二次構造予測の活用により、グルカンスクラーゼの構造—機能相関に関する理解がより明確になってきた。

グルカンスクラーゼ

グルカンスクラーゼ（EC 2.4.1.5）は、主として土壌細菌Leuconostoc mesenteroides（一般にデキストランスクラーゼと呼称）、口腔内細菌叢由来のStreptococcus属（一般にグルコシルトランスフェラーゼと呼称）、および乳酸菌Lactococciにより産生される細胞外酵素である。これらはスクロースから高分子量D-グルコースポリマーを合成する反応を触媒し、反応系にマルトースまたはイソマルトース等の効率的なアクセプターを添加すると、高分子量グルカンではなく低分子量オリゴ糖の産生を触媒する。

L. mesenteroides由来のグルカンスクラーゼは、一般に工業生産で用いられている。L. mesenteroides NRRL B-512Fが産生するデキストランは、1948年に工業規模で生産された最初期のバイオポリマーの一つであり、医療、分離技術およびバイオテクノロジー分野で多様な用途が見出されている。L. mesenteroides NRRL B-1299は、α(1-2)グリコシド結合を介して1個以上のD-グルコピラノシル単位が連結したオリゴ糖を産生し、これらは消化酵素による分解に対して高い抵抗性を示すことから、化粧品用途およびヒト栄養用途におけるプレバイオティクスとして利用可能である。口腔内レンサ球菌が産生するグルカンスクラーゼは、産生されたグルカンがう蝕原因菌の付着および定着を促進するため、う蝕形成過程において重要な役割を果たす。歯科う蝕に対するワクチン開発を目的として、これら酵素をコードする遺伝子の研究に多大な努力が注がれてきた。現在、14種類のグルカンスクラーゼ遺伝子（gtfと命名）の配列が利用可能である。

Reactions catalysed by glucansucrases 図1．グルカンスクラーゼにより触媒される反応（Monchois, V., et al. 1999）

グルカンスクラーゼの構造および機能的構成

長年にわたり実施されてきた研究により、う蝕形成過程に関与する口腔内レンサ球菌（S. mutans GS5またはLM7、S. sobrinus血清型h（S. downei Mfe28）、血清型g（S. sobrinus 6715）、血清型d（S. sobrinus OMZ176））、S. salivarius ATCC 25975、ならびにL. mesenteroides NRRL B-512FおよびB-1299が産生するグルカンスクラーゼをコードする17遺伝子が単離され、配列決定された。単離されたグルカンスクラーゼはいずれも平均分子量160,000の大型酵素である。レンサ球菌由来グルカンスクラーゼは主として、α(1-3)結合に富むムタン様多糖およびα(1-6)結合に富むデキストラン多糖を合成する。L. mesenteroides由来グルカンスクラーゼはα(1-6)結合に富むデキストランを産生する。一方、α(1-2)またはα(1-4)グリコシド結合を介して分岐グルカンを産生する、あるいはアルターナンを合成するグルカンスクラーゼをコードする遺伝子は単離されていない。異なるタンパク質配列の解析および比較研究から、これら酵素は近縁であり共通の構造を共有することが示されている。これらは4つの明確なドメインから構成される。L. mesenteroides NRRL B-1299由来のDSR-Aを除き、いずれもN末端は32～34アミノ酸のシグナルペプチドで始まり、その後に123～129アミノ酸からなる高変動領域が続く。さらに、約1000アミノ酸からなる高度に保存されたコア領域（触媒ドメインとも呼称）を有し、これはスクロース結合ドメインとしてスクロースの結合および開裂を担う。グルカンスクラーゼのC末端は約500アミノ酸からなり、グルカン結合ドメインを構成するタンデムリピートの連続配列から成る。

Schematic structure of glucansucrases for which encoding genes have been cloned. A, signal peptide; B, variable region; C, N-terminal catalytic domain; D, C-terminal glucan binding domain 図2．コード遺伝子がクローニングされたグルカンスクラーゼの模式構造。A：シグナルペプチド、B：可変領域、C：N末端触媒ドメイン、D：C末端グルカン結合ドメイン（Monchois, V., et al. 1999）

Reference

  1. Monchois, V., et al. Glucansucrases: mechanism of action and structure-function relationships. FEMS Microbiology Reviews. 1999.
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