スルファターゼ

スルファターゼ（EC 3.1.6.-）は、硫酸エステルの加水分解を触媒するエステラーゼ群に属し、多くの生理活性分子の機能を規定する硫酸化状態の制御において重要な役割を担う。スルファターゼの基質は、エストロゲン硫酸のような小分子の細胞質内ステロイドから、グリコサミノグリカンのような複雑な細胞表面糖鎖にまで及ぶ。スルホトランスフェラーゼとともに、スルファターゼは硫酸エステルの合成および切断を担う主要な触媒機構を構成する。スルファターゼが触媒する反応は、ホルモン調節、細胞内分解、シグナル伝達経路の調節などの重要な細胞機能と関連付けられている。さらに、スルファターゼは、ホルモン依存性がん、リソソーム蓄積症、発生異常、ならびに細菌性病原性を含む多様な病態生理学的状態の発症にも関与することが示唆されている。

分布

スルファターゼは下等生物から高等生物まで広く存在する。下等真核生物および細菌のスルファターゼは可溶性であり、細胞質、ペリプラズム、ならびに細胞外領域に局在することが報告されている。高等生物では細胞内および細胞外空間に存在する。真核生物のスルファターゼは分泌経路に標的化され、細胞外マトリックス（ECM）または小胞体（ER）、ゴルジ体、リソソームなどの細胞内小器官へ輸送される前に高度に糖鎖修飾（グリコシル化）を受ける。リソソームスルファターゼは、硫酸化グリコサミノグリカンや糖脂質を含む多様な硫酸化糖鎖を切断する。ステロイドスルファターゼは全身の広範な組織に分布しており、副腎および性腺で合成された硫酸化ステロイドが循環系を介して分布した後に脱硫酸化されることを可能にしている。

構造

これまでにX線結晶構造解析により4種類のスルファターゼの構造が解明されている。すなわち、ヒト由来のHARSA（ヒトアリールスルファターゼA）、HARSB（ヒトアリールスルファターゼB）、HARSC（アリールスルファターゼC）および、Pseudomonas aeruginosa由来のPARS（アリールスルファターゼ）である。これらの構造は驚くほど類似しており、混合α/βトポロジーを有するほぼ球状のグロブラーな単量体で、2つのドメインに分かれることが示されている。ARSCはさらに特有の膜貫通ドメインを有し、そこから可溶性ドメインが「芽生える」ように突出することで、酵素は「キノコ状」の形態を呈する。より大きいN末端ドメインは、10本（HARSA、HARSB、PARS）または11本（HARSC）のストランドからなる大きな混合βシートを多数のαヘリックスが取り囲む構造から成る。より小さいC末端ドメインは、4本ストランドの逆平行βシートが、溶媒に露出した長いC末端αヘリックスに密にパッキングした構造を含む。α/β酵素ファミリーに典型的に見られるように、活性部位キャビティは大きなβシートのC末端側に位置し、荷電アミノ酸により縁取られた狭いクレフトの底部にFGly残基が配置されている。

スルファターゼの活性部位は、高度に相互連結した10個の極性残基と二価金属カチオンから構成される。HARSAの場合、金属結合領域は一般的な残基AspA、AspB、AspCおよびAsnAにより形成され、ARSCではこれが保存的にグルタミン残基に置換されている。HARSB、HARSCおよびPARSでは、これらの金属結合残基に加え、FGlyおよび硫酸基の酸素原子（硫酸が存在しない場合は水分子の酸素）がCa²⁺カチオンを7配位で配位する。一方、HARSAではMg²⁺イオンが八面体配位で配位される。

機構

• 付加–加水分解（AH）機構

本機構は、硫酸基の酸素原子がFGlyの求電子性アルデヒド基に対して求核攻撃し、硫酸ジエステルを形成することから開始する。続いて、活性化水分子などの求核剤の作用により、共役アルコールが遊離する（AP機構に類似）。

• 転移エステル化–脱離（TE）機構

第1段階では、FGlyの水和体（FGH）のジェミナルなヒドロキシ基の一方が求核剤として作用する。硫黄原子へのSN2攻撃により硫酸エステルが加水分解され、共役アルコールが遊離するとともに、一過性のFGSが生成する。次いで、もう一方のジェミナルヒドロキシ基が反応して硫酸を脱離させ、アルデヒドを再形成する。最後に、アルデヒドの水和によりFGHが再生され、触媒サイクルが完結する。

図1．活性部位アルデヒドFGlyによる硫酸エステル加水分解の提案反応機構。a）付加–加水分解（AH）機構。b）転移エステル化–脱離（TE）機構。
(Sarah R. et al. 2010)

生物学的機能

ヒトスルファターゼは複数の細胞内局在で見出されており、ERにおけるホルモン合成、リソソームにおけるグリコサミノグリカンおよび糖脂質の分解、ならびにECMにおける発生・細胞シグナルの調節など、重要な生物学的プロセスにおいて中核的役割を果たす。その他にも複数のヒトスルファターゼが同定されているが、その生物学的機能は不明である。これらの酵素は、シアリルLewis^X-6S（sLe^X-6S）やチロシンO-硫酸など、他の重要な生体分子の脱硫酸化に関与している可能性がある。無脊椎動物および下等真核生物のスルファターゼについては、概して未解明である。複数の遺伝子がクローニングされており、場合によっては、ウニ胚の発生への関与、植物由来内因性毒素の不活化、藻類および真菌における硫黄代謝への関与などの活性が示されている。

多様な細菌種において、ARS、アルキルスルファターゼおよびグリコスルファターゼ活性の高レベル発現が同定されている。しかし、クローニングおよび特性解析が行われた細菌スルファターゼ遺伝子はごく少数にとどまる。これらの酵素は通常、外因性基質から硫酸基を除去し、宿主に硫黄源および炭素源を供給するスカベンジャーとして機能する。近年の研究により、細菌スルファターゼが浸透圧保護および病原性プロセスにおいても追加的機能を有することが示されている。

参考文献