ビフィズス菌が母乳のオリゴ糖を分解する酵素のかたちと反応メカニズムを解明

ビフィズス菌はヒトの腸管内に生息し、宿主にとって有益な「善玉菌」として知られている。また、母乳栄養乳児の腸内にはビフィズス菌が速やかに定着することが古くから知られている。

近年の研究により、ヒトの母乳中に含まれる複雑な構造のオリゴ糖（ヒトミルクオリゴ糖：注１）にビフィズス菌を増殖させる因子「ラクトNビオース（注２）」が豊富に存在していること、さらに、ビフィズス菌の表面にある「ラクトNビオシダーゼ（注３）」という酵素が、ヒトミルクオリゴ糖からラクトNビオースを切り出すはたらきをすることが分かってきた。しかし、ラクトNビオシダーゼがラクトNビオースのみを切り出す詳細なメカニズムは分かっていなかった。

今回、東京大学大学院農学生命科学研究科の伏信進矢教授らの研究グループは、ラクトNビオシダーゼの三次元構造を、X線結晶構造解析（注４）により初めて明らかにした。ラクトNビオシダーゼの中央には、ラクトNビオースの２つの糖がぴったりとはまるポケットがあった。本研究では、高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所のフォトンファクトリー（注５）を利用して測定を行い、ラクトNビオースと、強力な阻害剤（注６）である「ラクトNビオース-チアゾリン」が、そのポケットに結合した構造を、高分解能で決定することに成功した。ラクトNビオシダーゼに結合したラクトNビオースと阻害剤の形状から、この酵素が触媒反応を行う際の詳細なメカニズムが明らかになった。ラクトNビオシダーゼは乳児の腸内に生息するビフィズス菌から見つかっており、今後、この酵素を改変して利用することにより、ビフィズス菌の増殖因子を合成することが可能になると期待できる。

図１： ビフィズス菌のヒトミルクオリゴ糖代謝経路（概念図） （拡大画像↗）
ビフィズス菌（B. bifidum JCM1254株）の菌体外にはヒトミルクオリゴ糖を切断する酵素が複数発見されているが、そのうち、ラクトNビオシダーゼ（赤色）は、ラクトNビオース（緑色）を切り出す酵素である。さらに、ビフィズス菌は、遊離したラクトNビオースを菌体内に取り込むトランスポーターと、菌体内でラクトNビオースを分解代謝する一連の酵素を持つことが分かっている。

図２： ラクトNビオシダーゼに結合したラクトNビオース （拡大画像↗）
ラクトNビオシダーゼの分子表面の正電荷を青で、負電荷を赤で表す。ラクトNビオース（緑色）がぴったりとはまるポケットが分子の中央に存在する。

ビフィズス菌はヒトの腸管内に生息し、宿主にとって有益な「善玉菌」として知られています。また、母乳栄養乳児の腸内にはビフィズス菌が速やかに定着することが古くから知られています。ヒトの母乳には10?20 g/L程度の複雑な構造を持つオリゴ糖（ヒトミルクオリゴ糖）が含まれており、これにビフィズス菌を増殖させる因子が含まれていることは分かっていましたが、近年までその実体は明らかになっていませんでした。２００５年に、農業・食品産業技術総合研究機構食品総合研究所の北岡本光博士らにより、ビフィズス菌からヒトミルクオリゴ糖に含まれる二糖であるラクトNビオースを分解する一連の酵素の遺伝子が発見されました。その後の研究で、ラクトNビオースはビフィズス菌を選択的に増殖させる因子であることが明らかになっています。また、帯広畜産大学の浦島匡教授らは、ヒトミルクオリゴ糖にはラクトNビオースが含まれるタイプのオリゴ糖が多く含まれており、他のほ乳類の乳では、類人猿においてさえも、ラクトNビオースが含まれるタイプのオリゴ糖はまったく含まれないか、あったとしても少量であることを明らかにしています。すなわち、ヒトの乳幼児の腸管に生息するビフィズス菌は母乳に豊富に含まれるラクトNビオースを栄養源として利用していると推測されます。しかし、ヒトミルクオリゴ糖には、ラクトNビオースの二糖そのものは含まれておらず、かならず他の糖と結合したかたちでしか存在していません。そのような背景のもと、２００８年に、京都大学（当時）の山本憲二教授らのグループは、ビフィズス菌から、ヒトミルクオリゴ糖のラクトNビオース部分だけを切り出す酵素「ラクトNビオシダーゼ」を発見しました。すなわち、この酵素は、ビフィズス菌が、ヒトミルクオリゴ糖から、増殖因子であるラクトNビオースを切り出す、重要な酵素であると言えます。

本研究では、東京大学大学院農学生命科学研究科の伏信進矢教授、石川県立大学生物資源工学研究所の片山高嶺准教授と山本憲二教授、近畿大学生物理工学部の芦田久教授らのグループが、ラクトNビオシダーゼの三次元構造を、フォトンファクトリーのBL‐17Aを利用し、X線結晶構造解析の技術を用いて高分解能で初めて明らかにしました。また、２０１１年に豪州・西オーストラリア大学のKeith A. Stubbs准教授らによって開発された強力な阻害剤「ラクトNビオース-チアゾリン」を用いています。

ラクトNビオシダーゼの中央には、ラクトNビオースの２つの糖がぴったりとはまるかたちとサイズを持つポケットがありました。ここには数多くの相互作用が存在し、この酵素がラクトNビオースを厳密に認識している様子が明らかになりました。また、ラクトNビオシダーゼに結合したラクトNビオースと阻害剤の立体配座が観測できたことから、この酵素が触媒反応を行う際に、基質であるヒトミルクオリゴ糖がどのように構造変化をして、切断（分解）されるかという、詳細なメカニズムを推定することができました。

本研究から、ラクトNビオシダーゼのどの部分がヒトミルクオリゴ糖をどのように認識しているのか、触媒反応に重要な部位はどこなのか、といった情報が一気に得られました。従って、この酵素を改変して、逆反応であるヒトミルクオリゴ糖の合成に適した酵素にする、といったような工学的手法が可能になったといえます。また、近年、ヒトの腸内に生息する微生物の全体（ミクロビオーム）の研究が進んでいますが、そこに存在する遺伝子からラクトNビオシダーゼの遺伝子を推定するために重要な情報も得られました。将来的には、健康に寄与する食品の開発などへの応用が期待されます。