ヒアルロン酸リアーゼ

ヒアルロン酸リアーゼ（EC 4.2.2.1）は、ヒアルロニダーゼ、ヒアルロノングルコサミニダーゼ、ヒアルロノグルクロニダーゼ、グルクロノグリコサミノグリカンリアーゼ、またはムチナーゼとも呼ばれ、複数の病原性レンサ球菌種で報告されているヒアルロン酸（HA）の分解を触媒する。ヒアルロン酸リアーゼはリアーゼ（lyase）ファミリーに属し、特に多糖に作用する炭素–酸素リアーゼに分類される。本酵素は、ヒアルロン酸鎖のβ-D-GalNAc-(1→4)-β-D-GlcA結合を開裂し、最終的に多糖を3-(4-デオキシ-β-D-グルク-4-エンウロノシル)-N-アセチル-D-グルコサミンへと分解する。

分類

ヒアルロニダーゼは、現時点で大きく2群、すなわちリアーゼと加水分解酵素（ヒドロラーゼ）に分類される。リアーゼには、Streptococcus、Propionibacterium、Peptostreptococcus、Staphylococcus、およびStreptomyces属の一部株が分泌する細菌性ヒアルロニダーゼ（ヒアルロン酸リアーゼ）が含まれる。ヒドロラーゼには、精巣型ヒアルロニダーゼおよびヒル由来ヒアルロニダーゼが含まれる。両群の間には顕著な差異がある。細菌由来のリアーゼ群ヒアルロニダーゼは安定性が低い一方で、ヒアルロン酸をより速く、かつより高度に分解し、不飽和生成物を産生する。これに対し、ヒドロラーゼ群ヒアルロニダーゼは同一のグリコシド結合を加水分解により切断し、反復二糖単位が変化しないオリゴ糖生成物を与える。

基質

ヒアルロン酸はヒアルロン酸リアーゼの主要基質であり、β-1,4結合したN-アセチルグルコサミン（GlcNAc）とグルクロン酸（GlcA）からなる二糖の重合体で構成される直鎖状グリコサミノグリカンである。ヒアルロン酸は著しく粘稠な溶液を形成し、主として関節の潤滑および衝撃吸収として機能する。滑液、軟骨、皮膚、脳を含む多くの哺乳類組織に存在し、細胞外マトリックスの主要構成要素をなす。結合組織における構造的役割に加え、多くの生物学的に重要な分子がヒアルロン酸に結合しており、ヒアルロン酸は細胞増殖、認識、運動など多様な生理学的過程において重要な役割を担う。適切な細胞機能を維持するため、体内のHA量は、HAの生合成および分解を制御することにより精緻に調節されている。ヒアルロニダーゼは、動物および細菌におけるHA分解を担う酵素である。

構造

Streptococcus pneumoniae由来ヒアルロン酸リアーゼ分子の結晶構造は、短いリンカーで連結された2つの明確な構造ドメインに分かれる。N末端のαヘリカルドメインは酵素の最初の361残基（Lys171–Ser531）からなり、主として13本のαヘリックスで構成される。10本のαヘリックス（αH3–αH12）はねじれた（α/α）バレル構造を形成する。このバレルは不完全で、一側面が開いている。これら10本のうち隣接する2本のヘリックスはそれぞれ基本的なヘアピン構造を形成し、5つのヘアピンが（α5/α5）バレル構造を構成する。ヘリックスαH2およびαH13はバレル軸に対してほぼ直交し、バレル開口部を遮蔽する。C末端のβドメインは続く347残基（Tyr543–Lys889）からなり、24本のβストランドが5枚のβシートに配列される。構造中のβシートはすべて逆平行であり、5枚のシート同士は互いに平行に配置される。2つのドメインはいずれも球状で、ほぼ同程度の大きさである。

図1．テトラ糖ヒアルロナン基質との複合体を形成したStreptococcus pneumoniaeヒアルロン酸リアーゼ。（Jedrzejas, M.J. 2002）

機構

ヒアルロン酸の分解は、ランダムな初期エンドリティック結合により酵素がヒアルロナンに結合した後、同一基質鎖の非還元末端に向かってエキソリティックに分解が進行し、基質全体が分解されるまで継続するプロセッシブな機構であると考えられている。肺炎球菌ヒアルロン酸リアーゼ、および他の既知の複数の細菌性ヒアルロン酸リアーゼでは、最終分解産物はヒアルロン酸の不飽和二糖誘導体である。ヒアルロン酸分解を担う5段階の触媒過程として、(i) ヒアルロナン基質の結合、(ii) 触媒反応、(iii) 水の微小環境との水素交換、(iv) 不可逆的な生成物放出、(v) 残存する高分子基質の転座、から構成されるとの仮説が提唱されている。

ヒアルロナン分解過程が成立するためには、酵素は伸長したクレフトを利用して基質に結合する必要がある。クレフト内での初期結合（ドッキング）後、ヒアルロナンはクレフトに沿って精密に配置され、主としてクレフト表面を縁取る荷電残基と相互作用する。ネイティブ酵素の構造およびHAのテトラ糖・ヘキサ糖単位とのモデル複合体構造に基づき、触媒残基はAsn349、His399、Tyr408であると提案されている。触媒過程において、酵素分子はTyr408から水素を1つ失い、His399で別の水素を1つ獲得する。最終段階として、酵素が元の状態に戻り次の触媒サイクルに備えるためには、水素バランスの回復が必要である。次の触媒サイクルが進行するためには、酵素は活性部位から生成した二糖生成物を放出する必要もある。

参考文献