ミロシナーゼ

ミロシナーゼおよびグルコシノレートは、それぞれ異なる細胞に貯蔵されている。病害虫の加害を受けると、基質と酵素が接触し、グルコシノレートは防御のための毒性化合物へと変換される。本稿では、植物におけるミロシナーゼ防御システムの研究進展について、遺伝子ファミリーの構造、遺伝子発現制御、ミロシナーゼの細胞内局在、植物以外の生物におけるミロシナーゼ、グルコシノレート／ミロシナーゼ系の起源と進化、および想定される機能等を含めて概説する。アブラナ科植物の組織が損傷すると、グルコシノレートがミロシナーゼと直接接触し、加水分解によりイソチオシアネート、ニトリル等の毒性物質を生成して、植食者によるさらなる損傷から自己を防御する。

図 1. ミロシナーゼのタンパク質構造。

構造

ミロシナーゼは二量体として存在し、各サブユニットは60～70 kDaである。カラシナ（mustard leaf mustard）から単離したミロシナーゼのX線結晶構造解析により、2つのサブユニットは亜鉛原子によって連結されていることが示された。また、塩橋、ジスルフィド結合、水素結合、および糖鎖修飾（グリコシル化）の顕著さは、特に植物の生育が不十分で、加害により重篤な組織損傷を受ける状況において、酵素の安定性に寄与すると考えられている。多くのβ-グルコシダーゼの特徴として、活性部位に触媒性グルタミン酸残基を有するが、ミロシナーゼではそのうち2つが単一のグルタミン残基に置換されている。アスコルビン酸が、グルタミン酸残基の機能を代替して活性に寄与することが示されている。

作用機序

ミロシナーゼは以下の化学反応を触媒する。

チオグルコシド + H2O 糖 + チオール

したがって、本酵素の2つの基質はグルコシノレートおよびH2Oであり、2つの生成物は糖およびチオールである。水の存在下で、ミロシナーゼはグルコシノレートからグルコース基を切断する。その後、残存分子は速やかにチオシアネート、イソチオシアネート、またはニトリルへと変換される。これらは植物防御に関与する生理活性物質である。ミロシナーゼによるグルコシノレートの加水分解は、pHや特定の補因子の存在など、さまざまな生理条件に依存して多様な生成物を与えることが知られている。観察されている既知の反応はいずれも同一の初期段階を共有する。まず、ミロシナーゼがβ-グルコシノレート結合を切断し、D-グルコースを遊離する。生成したアグリコンは自発的なRosen様転位を受け、硫酸基を放出する。本機序の最終段階は、反応が進行する生理条件の影響を最も強く受ける。中性pHでは主生成物はイソチオシアネートである。酸性条件（pH <3）では、二価鉄イオンまたはエピチオスペシファー（Epithiospecifier）タンパク質の存在下で、ニトリル生成がより優位となる。

機能

ミロシナーゼとその天然基質であるグルコシノレートが、植物の防御応答の一部を構成することは広く知られている。植物が病原体、昆虫、またはその他の植食者に攻撃されると、ミロシナーゼにより、本来は無害なグルコシノレートがイソチオシアネート、チオシアネート、ニトリル等の毒性生成物へと変換される。

植物における区画化

グルコシノレート－ミロシナーゼ防御システムは、植物内で特異的な様式によりパッケージ化されている。植物は区画化によりグルコシノレートを貯蔵し、植物が攻撃を受けた場合にのみ放出・活性化されるようにしている。ミロシナーゼは主として、ミロシン細胞と呼ばれる特定の繊維芽細胞様細胞の液胞内にミロシングラニュールとして貯蔵されるが、膜結合性を示すタンパク質ボディ／液胞、ならびに細胞質酵素の存在を示唆する報告もある。マスタードオイル配糖体（グルコシノレート）は、隣接するが別個の「S細胞」に貯蔵される。植物組織が損傷すると、ミロシナーゼがグルコシノレートと接触し、速やかに有効な抗菌型へと活性化する。これら生成物のうち最も有効なのはイソチオシアネートであり、次いでチオシアネート、ニトリルが続く。

進化

ミロシナーゼ－グルコシノレート防御システムを進化させたことが知られている植物には、シロガラシ（Sinapis alba）、クレス（Lepidium sativum）、ワサビ（Wasabia japonica）、ダイコン（Raphanus sativus）などが含まれる。また、アブラナ科の複数の種として、カラシナ（Brassica juncea）、ナタネ（Brassica napus）、および一般的な食用アブラナ科野菜（ブロッコリー、カリフラワー、キャベツ、ケール等）が挙げられる。これら野菜の多くにみられる苦味や後味は、調理前処理時または原料が破砕された際に生じるグルコシノレートの加水分解に起因する場合が多い。パパイヤの種子もこの防御機構を利用するが、果肉自体は利用しない。

参考文献