研究の要旨とポイント

• 植物病原菌Xanthomonas campestris campestris由来の糖質加水分解酵素（GH）ホモログが、「常識」を覆すユニークな糖転移反応により病原性に必須な糖鎖「α-1,6-cyclized β-1,2-glucohexadecaose（CβG16α）」を合成することを示しました。
• この反応は、100年以上のGHの研究の歴史で初めて見つかった「アノマー反転型糖転移反応」です。立体構造に基づいてこの反応が可能であると解明したことにより、「酵素を利用した糖鎖利用の可能性」を大幅に広げたと言えます。またこの酵素自体が全く新しいコンセプトの農薬の阻害ターゲットとして将来的に期待されます。
• 本酵素の発見は既存のGH酵素の機能構造相関の観察に基づいており、「反応機構」に着目することの重要性を示す好例と言えます。

研究の概要

東京理科大学大学院創域理工学研究科生命生物科学専攻の元内省氏（博士課程2年、日本学術振興会特別研究員）、同大学創域理工学部生命生物科学科の中島将博准教授、農研機構食品研究部門の今場司朗上級研究員、本学農学部農学科の中井博之准教授の研究グループは、これまでアノマー保持型糖質加水分解酵素にしか見つかっていなかった糖転移反応を、アノマー反転型糖質加水分解酵素で発見しました。これは、糖質加水分解酵素研究の100年以上の歴史の中で、初めて見つかったタイプの糖転移反応です（図1）。

図1. 本研究で発見した酵素の反応。

糖質加水分解酵素群は、反応前後でアノマー型が保持されるか反転するかで、アノマー保持型とアノマー反転型に大別されます（＊1）。また、この酵素群は基質に水がアタックするか、糖鎖がアタックするかで加水分解反応と糖転移反応に分類され、理論的には4種類の反応に分けられます（図2）。糖転移反応は生体内で重要な役割を果たす反応の一つであり、糖鎖合成のツールとしても利用価値の高い反応ですが、アノマー保持型でしか見つかっていませんでした。

図2. 一般的な糖質加水分解酵素群の反応の分類の模式図。
（構造、反応の一部は簡略化）

本研究では、Xanthomonas campestris pv. campestris（以下、Xcc）によるモデル植物（シロイヌナズナやタバコ）への病原性発現に重要なことで知られるα-1,6-cyclized β-1,2-glucohexadecaose（CβG16α）の生合成に関連する酵素について研究を行いました。その結果、Xcc由来酵素XccOpgDが直鎖状β-1,2-gulcanをCβG16αに変換することを発見しました。また、立体構造解析も行い、この酵素がβ-グリコシド結合をα-グリコシド結合に変換して糖鎖の転移を行うメカニズムを明確に証明しました（図3）。これは、アノマー反転型にも糖転移反応が存在することを示す初めての結果であり、酵素を利用した糖鎖合成の可能性を大きく飛躍させる発見と言えます。

さらに、この反応により合成される糖鎖は、多様なグラム陰性菌の病原性発現に深く関わる物質です。そのため、将来的には今回発見した糖鎖ホモログ群をターゲットとした、殺菌することなく病原性を阻害できる、新しいコンセプトの農薬の創成につながる可能性があります。

本研究成果は、2024年6月19日に国際学術誌「Journal of the American Chemical Society」にオンライン掲載されました。

図3. 本研究で発見されたアノマー反転型の糖転移反応。
＊2個のアスタリスクは、?1と?16の位置のグルコース単位がアスタリスクの位置で14個のグルコース単位を挟んでつながっていることを表している。

【用語解説】

＊1 アノマー保持型、アノマー反転型
グリコシド結合を加水分解する酵素反応のうち、基質のアノマー型と生成物のアノマー型が同じものをアノマー保持型、異なるものをアノマー反転型という。アノマーとは、糖が5員環（フラノース）または6員環（ピラノース）の環状構造をとるときに新たに生じるヒドロキシ基の向きに由来する立体異性体の関係を示す用語。

研究内容の詳細

糖質加水分解酵素群の100年を超える研究の歴史の中で初めて見つかった糖転移反応～植物に対する病原性因子の環状糖を合成するアノマー反転型糖転移反応の発見～（PDF：1.5MB）

論文情報

【掲載誌】Journal of the American Chemical Society
【論文タイトル】Discovery of anomer-inverting transglycosylase: cyclic glucohexadecaose-producing enzyme from Xanthomonas, a phytopathogen
【著者】Sei Motouchi, Shiro Komba, Hiroyuki Nakai, Masahiro Nakajima
【doi】10.1021/jacs.4c02579

本件に関するお問い合わせ先

広報事務室
E-mail　pr-office@adm.niigata-u.ac.jp