トレハラーゼ

トレハラーゼ

トレハラーゼは、非還元性二糖類であるトレハロースを、構成単位である2分子のグルコースに分解する触媒作用を持つ加水分解酵素の総称です。この酵素は、哺乳類を含む広範な生物種に存在しており、それぞれの生物において重要な生理的役割を担っています。

トレハロースとその分解の歴史

トレハロース（化学名：α-D-グルコピラノシル-1,1-α-D-グルコピラノシド）は、多くの生物において重要な貯蔵性炭水化物として機能しています。哺乳類では一般的ではありませんが、酵母、菌類、昆虫、植物の一部、そして様々な微生物に広く見られます。トレハラーゼによるトレハロースの分解反応は、1893年にエミール・ブルクロがクロコウジカビ（Aspergillus niger）を用いて初めて観察しました。その後、1895年にはフィッシャーが酵母における同様の反応を確認しています。以来、トレハラーゼの存在は植物や動物を含む多くの生物で確認されてきました。

生物種ごとのトレハラーゼ

トレハラーゼは、生物種によってその性質や局在、機能が異なります。

動物（ヒトを含む）: ヒトを含む動物では、トレハラーゼは主に食物として摂取されたトレハロースを消化するために働きます。ヒトの場合、この酵素は小腸の表面にある微絨毛（刷子縁）に局在するグリコシダーゼとして存在しています。もし腸のトレハラーゼが欠損していると、キノコなどトレハロースを多く含む食品を食べた際に、トレハロースが分解されずに腸内に留まります。これにより、腸管内の浸透圧が高まり、浸透圧性下痢を引き起こす原因となります。腸以外でもトレハラーゼが発現する例があり、様々な生理機能に関与しています。例えば、菌類の胞子が発芽する際、昆虫が飛行する際のエネルギー供給、あるいは休眠状態にある細胞が活動を再開するプロセスなどで、トレハラーゼによるトレハロース分解が重要な役割を果たします。

細菌: シュードモナス属、バシラス属、リゾビウム属、あるいは一部の放線菌など、多くの細菌はトレハロースを糖の貯蔵形態として利用しており、これが乾燥などのストレスに対する抵抗性に寄与していると考えられています。細菌から単離されるトレハラーゼの多くは、中性付近（pH 6.5～7.5）に最適pHを持ちます。例えば、Mycobacterium smegmatisのトレハラーゼは細胞膜に結合しています。大腸菌（Escherichia coli K12株など）では、細胞の周囲空間であるペリプラズムにトレハラーゼが存在し、これは高浸透圧条件下で多く作られることが知られています。ペリプラズムでトレハロースがグルコースに分解された後、グルコースが細胞内部に取り込まれます。さらに、大腸菌の細胞質にも別のトレハラーゼが存在することが確認されており、この細胞質型トレハラーゼをコードする遺伝子は、ペリプラズム型のトレハラーゼ遺伝子と高い類似性を示しています。

植物: トレハラーゼは植物界に広く分布していますが、その基質であるトレハロース自体は植物において比較的珍しい糖です。トレハロースが見られるのは、テマリカタヒバやヒメハナワラビといった一部のシダ植物や、維管束植物ではセリ科の一部の熟した果実や、乾燥に強いミロタムヌスなどの限られた種に報告されています。植物は光合成によって自ら糖を生成するため、外部からトレハロースを摂取する必要は基本的にありません。にもかかわらず、体内にトレハロースを持たない植物でもトレハラーゼが存在する理由は完全に解明されておらず、これらの植物におけるトレハラーゼ活性の明確な役割は不明です。しかし、トレハロースは植物の代謝調節に関わるトレハロース-6-リン酸の合成を阻害する作用を持つため、植物が何らかの経路でトレハロースを取り込んだ場合、それを分解して除去する必要があるのかもしれません。このことから、植物のトレハラーゼは、植物に共生したり感染したりする微生物が産生したトレハロースを分解するために存在しているのではないか、という説が提唱されています。

酵母: 出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）には、性質の異なる少なくとも2種類のトレハラーゼが見つかっています。一つは細胞質に存在し、最適pHが約7.0であることから中性トレハラーゼ（NT）と呼ばれます。このNTの活性は、cAMP依存性プロテインキナーゼによるリン酸化によって調節されることが知られています。もう一つは、細胞内の液胞に存在し、最適pHが約4.5であることから酸性トレハラーゼ（AT）と呼ばれています。これら二つの酵素は、それぞれ異なる遺伝子（NTはNTH1、ATはATH1）によってコードされています。

中性トレハラーゼ（NT）: 出芽酵母から単離・同定されたNTは、非変性条件下でのゲル電気泳動で約160 kDa、変性条件下（SDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動）では約80 kDaの分子量を示します。トレハロースに対して高い特異性を持ち、Km値は約5.7 mMです。NTH1遺伝子は、693個のアミノ酸からなる約79.6 kDaのタンパク質をコードしています。NTの活性は、タンパク質のリン酸化および脱リン酸化によって厳密に制御されています。cAMP依存性プロテインキナーゼによるリン酸化はNTを活性化し、逆にアルカリホスファターゼによる脱リン酸化は活性をほぼ完全に失わせます。リン酸化されていない酵素も、ATPとプロテインキナーゼを加えることで再びリン酸化され、活性が回復します。酵母の粗抽出物中のNT活性は、ポリカチオンによって促進されることがありますが、これは活性を阻害するポリリン酸が除去されるためと考えられています。一方、既にリン酸化され活性化されたNTの活性は、ポリカチオンによって阻害されるという対照的な性質を示します。

酸性トレハラーゼ（AT）: ゲルろ過クロマトグラフィーによる測定では、酸性トレハラーゼ（AT）は約218 kDaの分子量を持つことが示されています。ATは高度に糖化された糖タンパク質であり、その質量の約86%が炭水化物です。この酵素の成熟プロセスは段階的で、まず糖が付加されていない約41 kDaの前駆体タンパク質として合成され、小胞体で約76 kDaに、ゴルジ装置で約180 kDaに、そして最終的に液胞内でさらに糖鎖が付加されて約220 kDaの成熟型となります。成熟したATを特定の酵素（エンドグリコシダーゼH）で処理すると、糖鎖が除去された約41 kDaのコアタンパク質が得られます。トレハロースに対するATのKm値は、最適pHである4.5付近で約4.7 mMです。出芽酵母におけるATはATH1遺伝子によってコードされています。出芽酵母が外部環境にあるトレハロースをエネルギー源として利用するためには、このATH1遺伝子によって作られるAT（Ath1p）が不可欠です。ATH1遺伝子を欠損した変異体は、トレハロースを唯一の炭素源とする培地では生育できません。ATは合成された後、細胞外空間であるペリプラズムへと輸送され、そこで外部のトレハロースと結合し、細胞内、具体的には液胞へと取り込まれて加水分解されると考えられています。出芽酵母のAT活性の大部分（90%以上）は実際に細胞外、すなわちペリプラズムに存在し、外部のトレハロースをグルコースに分解していることが示されています。かつては、別の遺伝子であるYGP1の産物である糖タンパク質gp37や、サッカラーゼといった他の酵素活性がAT活性と関連しているという報告もありました。AT自身の分泌シグナルは明確ではありませんが、これらの他のタンパク質の分泌経路を利用して細胞外へ輸送される可能性が示唆されています。

関連項目
α,α-トレハラーゼ
レンツトレハロース
* トレハロサミン

もう一度検索