希少なオリゴ糖“β-1,2-グルコオリゴ糖”を細菌が捕まえるしくみを解明

β-1,2-グルカン、およびそれよりも短いβ-1,2-グルコオリゴ糖は、澱粉やセルロースなどと同じくグルコース（ブドウ糖）から構成される糖質です。しかし、これらの糖質は入手困難であるために、その代謝に関わる酵素・タンパク質の研究例は極めて限られていました。近年、東京理科大学大学院理工学研究科の中島将博 講師らの研究グループによりβ-1,2-グルカンとβ-1,2-グルコオリゴ糖を合成・分解する酵素の働きが徐々に明らかになってきました。しかし、これらの糖質が生き物によってどのようにして捕捉され、細胞内に取り込まれるのかは不明でした。今回、東京大学大学院農学生命科学研究科の阿部紘一 博士課程学生（当時）、同研究科の伏信進矢 教授らの研究グループは、中島 講師らのグループと共同で研究を行い、細菌のβ-1,2-グルコオリゴ糖の取り込みに関する初の知見を得ることに成功しました。本研究の成果は、生物によるβ-1,2-グルコオリゴ糖の利用に関する謎を解き明かし、自然界で希少なβ-1,2-グルコオリゴ糖を検出するバイオセンサー（注1）の開発に繋がると期待されます。

　　β-1,2-グルカンは、澱粉やセルロースなどと同じくグルコースから構成される多糖ですが、それらとは結合様式が異なっており、β-1,2-グリコシド結合（注２）で繋がっています。β-1,2-グルカンは、環状に繋がったものが比較的よく研究されており、環状β-1,2-グルカンはブルセラ属などの病原菌やマメ科植物の根に存在する根粒菌などが生産し、人などの宿主への感染や高浸透圧環境への適応に利用されていることで知られています。また、環状β-1,2-グルカンは疎水性の化合物と会合して、水に溶けやすくさせるなどの性質があることから、薬学をはじめ幅広い分野で興味が持たれています。β-1,2-グルカンよりも短い（重合度が低い）直鎖状のβ-1,2-グルコオリゴ糖（別名ソホロオリゴ糖、重合度nのものはSop_nと表す）は、２糖ソホロース（Sop₂）の配糖体などの存在が一部で知られているものの、3糖以上のβ-1,2-グルコオリゴ糖は自然界で極めて希少であり、その物性や機能はほとんどわかっていません。さらに、これらβ-1,2-グルカンとβ-1,2-グルコオリゴ糖は、入手が困難であるため、その代謝・輸送に関わるタンパク質の研究もあまり進んでいませんでした。
　　東京理科大学大学院理工学研究科の中島将博 講師らの研究グループは、以前よりβ-1,2-グルカンを合成・分解する酵素に着目して研究を行ってきました。近年、同研究グループは細菌Listeria innocuaからβ-1,2-グルカンおよびβ-1,2-グルコオリゴ糖を分解する2つの酵素、1,2-β-オリゴグルカンホスホリラーゼ（Lin1839）とβ-グルコシダーゼ（Lin1840）を発見し、その機能と立体構造を明らかにしました。これらの酵素遺伝子の隣にはATP結合カセット型（ABC）輸送体の溶質結合タンパク質（Lin1841）（注３）の遺伝子が存在します（図1）。このことからLin1841がβ-1,2-グルカンもしくはβ-1,2-グルコオリゴ糖の輸送に関わることが推測されました。しかし、実際にこれらの糖質がどのようにして捕捉され、輸送されるのかは不明でした。今回、東京大学大学院農学生命科学研究科 阿部紘一 博士課程学生（当時）と同大学院の伏信進矢 教授らのグループは、中島 講師のグループと共同で研究を行いました。
　　はじめに、等温滴定熱量測定（ITC）（注４）によりLin1841がどのような糖と結合するのかを調べたところ、Lin1841は3糖以上のβ-1,2-グルコオリゴ糖のみを選んで結合し、中でも重合度４前後の短いβ-1,2-グルコオリゴ糖を好むことが明らかとなりました。このことから、Lin1841をSop_n結合タンパク質（SO-BP）と名付けました。次に、X線結晶構造解析（注５）により、SO-BPの立体構造を、糖が結合していない状態とSop₃、Sop₄、Sop₅の３種のβ-1,2-グルコオリゴ糖が結合した状態の合計４状態で決定しました。糖が結合していない状態では、SO-BPの2つの大きなかたまりになっている部分（ドメインIとII）が大きく開いた構造をとっていたのに対し、3〜5糖との複合体構造では、2つのドメインの間にあるちょうつがいのような部分（ヒンジ領域）が折れたたんで閉じた構造をとっており、β-1,2-グルコオリゴ糖は2つのドメインに挟み込まれる形で結合していました（図2）。このことから、SO-BPはβ-1,2-グルコオリゴ糖の結合に伴い大きく構造を変えることが分かりました。また、結合したβ-1,2-グルコオリゴ糖は独特な“ジグザグ”構造をとっており、多数の相互作用により、SO-BPにしっかりと結合していました（図3）。この相互作用の様子はITCから推測されたものと良く一致しており、SO-BPが働く「かたち」と「しくみ」について、詳細かつ明確な知見が得られました。さらに、SO-BPが3糖以上のβ-1,2-グルコオリゴ糖を好んで結合する理由を分子動力学シミュレーション（注６）と部位特異的変異導入（注７）により調べたところ、Sop₃の3つ目のグルコース部分（図3のCの部分）を結合している、193番目のアスパラギン酸残基（Asp193）と197番目のグルタミン残基（Gln197）が重要な役割を担っていることが明らかとなりました。これらの知見をふまえて、ゲノムデータベースを利用した分子系統学的な解析をおこなったところ、土壌細菌やビフィズス菌などの腸内細菌もSO-BPに類似した遺伝子を持っており、これらの細菌もβ-1,2-グルコオリゴ糖を取り込んで代謝している可能性が示されました。このことは、β-1,2-グルカンおよびβ-1,2-グルコオリゴ糖が、これまで考えられていたよりも自然界に普遍的に存在しているかもしれないことを意味しています。
　　 本研究により、細菌がSO-BPを用いてβ-1,2-グルコオリゴ糖を捕らえる構造基盤が初めて明らかとなりました。本研究は生物によるβ-1,2-グルカンとβ-1,2-グルコオリゴ糖の代謝を考える上で重要な基礎的情報となり、新たな関連タンパク質の発見にも繋がると期待されます。また、SO-BPはβ-1,2-グルコオリゴ糖のみを強く結合することから、このような希少な糖質を感知するバイオセンサーとしての利用も期待できます。