グルカンシュクラーゼ

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はじめに

グルカンスクラースは主にLeuconostoc mesenteroidesおよび口腔内のStreptococcus種によって生成され、乳酸菌（ラクトコッカス、ラクトバチルス）も生成されることがあります。これらは、スクロースを高分子量のD-グルコースポリマーであるグルカンに合成する役割を担っています。効率的な受容体が存在する場合、低分子量のオリゴ糖の合成も触媒されることがあります。グリコシド結合の合成には、ヌクレオチド活性化糖や補因子の媒介は必要ありません。グルカンスクラースは、グルカンやオリゴ糖を生成する能力から工業的価値があり、虫歯の原因となるプロセスにおける重要な役割から生物学的にも重要です。

グルカンスクラースは50年以上前に初めて発見されましたが、その作用メカニズムはまだ完全には理解されていません。生物学的に重要なオリゴ糖を合成したり、虫歯に対するワクチンを開発するためには、グルカンスクラースの位置特異性と選択性を決定する要因を解明することが重要です。構造-機能関係の研究に加えて、グルカンスクラース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を特定し、酵素がスクロース結合と切断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末端領域（約500アミノ酸）の2つの機能ドメインで構成されていることがわかりました。酵素学的研究では、彼らの作用メカニズムに対する異なるモデルが提案されています。二次構造予測の使用により、グルカンスクラースの構造-機能関係の理解がより明確になりました。

グルカンスクラース

グルカンスクラース（EC 2.4.1.5）は、主に土壌細菌Leuconostoc mesenteroides（一般にデキストランスクラーゼと呼ばれる）、口腔内のStreptococcus種（一般にグルコシルトランスフェラーゼと呼ばれる）、および乳酸菌Lactococciによって生成される細胞外酵素です。これらは、スクロースから高分子量のD-グルコースポリマーを合成する反応を触媒し、反応媒体にマルトースやイソマルトースなどの効率的な受容体が追加されると、グルカンスクラースは高分子量のグルカンではなく低分子量のオリゴ糖の生成を触媒します。

L. mesenteroides由来のグルカンスクラースは、工業生産で一般的に使用されています。L. mesenteroides NRRL B-512Fによって生成されたデキストランは、1948年に工業規模で生産された最初のバイオポリマーの1つであり、医療、分離技術、バイオテクノロジーにおいてさまざまな用途が見出されています。L. mesenteroides NRRL B-1299は、α(1-2)グリコシド結合を介して結合された1つ以上のD-グルコピラノシルユニットを持つオリゴ糖を生成し、消化酵素による攻撃に対して非常に耐性があり、化粧品や人間の栄養用途においてプレバイオティクスとして使用できます。口腔内のストレプトコッカスによって生成されるグルカンスクラースは、生成されたグルカンが虫歯菌の付着と定着を促進するため、虫歯の発生過程において重要な役割を果たします。虫歯に対するワクチンを開発するために、これらの酵素をコードする遺伝子の研究に多くの努力が注がれています。現在、14種類の異なるグルカンスクラースをコードする遺伝子（gtfと名付けられた）の配列が利用可能です。

図1. グルカンスクラースによって触媒される反応（Monchois, V., et al. 1999）

グルカンスクラースの構造と機能の組織

多くの年前に始まった研究では、虫歯の発生過程に関与する口腔内のストレプトコッカスによって生成されるグルカンスクラースをコードする17の遺伝子が分離され、配列決定されました。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、L. mesenteroides NRRL B-512FおよびB-1299によって生成されます。分離されたグルカナーゼはすべて平均分子量160,000の大きな酵素です。ストレプトコッカスのグルカンスクラースは主にα(1-3)に富む変異ポリサッカライドとα(1-6)に富むデキストランポリサッカライドを合成します。L. mesenteroidesのグルカンスクラースはα(1-6)に富むデキストランを生成します。しかし、α(1-2)またはα(1-4)グリコシド結合を介して分岐したグルカンを生成するグルカンスクラースをコードする遺伝子や、アルタナンを合成する遺伝子は分離されていません。異なるタンパク質配列の分析と比較の研究により、これらの酵素は密接に関連しており、共通の構造を共有していることが示されています。これらは4つの異なるドメインで構成されています。L. mesenteroides NRRL B-1299のDSR-Aを除いて、すべての酵素はN末端が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アミノ酸の非常に変動のある領域が続きます。約1000アミノ酸の高度に保存されたコア領域（触媒ドメインとも呼ばれる）を持ち、スクロースを結合し切断する能力があります。グルカンスクラースのC末端は約500アミノ酸をカバーし、グルカン結合ドメインを構成する一連のタンデムリピートから成ります。

図2. クローニングされた遺伝子を持つグルカンスクラースの構造図。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）