グリコシドヒドロラーゼファミリー121に属するβ-L-アラビノビオシダーゼの結晶構造

Crystal structure of β-L-arabinobiosidase belonging to glycoside hydrolase family 121.

• Keita Saito
• Alexander Holm Viborg
• Shiho Sakamoto
• Takatoshi Arakawa
• Chihaya Yamada
• Kiyotaka Fujita
• Shinya Fushinobu

抄録

α-L-アラビノフラノシドに作用する酵素は広く研究されているが、β-L-アラビノフラノシダーゼの構造と機能は十分に理解されていない。Bifidobacterium longum JCM 1217の遺伝子クラスター内の3つの酵素とABCトランスポーターは、植物のヒドロキシプロリンを豊富に含む糖タンパク質上のβ-L-アラビノオリゴ糖の分解・輸入系を構成している。グリコシドヒドロラーゼ(GH)ファミリー121に属する細胞外β-L-アラビノビオシダーゼ(HypBA2)は、β-1,2-連結アラビノフラノース二糖(β-Ara2)を特定の糖輸入者に向けて放出することにより、分解経路において重要な役割を果たしている。ここでは、GH121の最初の立体構造として、HypBA2の触媒領域の結晶構造を1.85Å分解能で発表する。HypBA2の構造は、中央の触媒(α/α)6バレルドメインと2つの側面(N末端とC末端)のβサンドイッチドメインから構成されている。触媒ドメイン内のポケットは、β-Ara2二糖を収容するのに適しているようである。このポケットに位置する3つの酸性残基Glu383、Asp515、およびGlu713は、GH121のすべてのメンバーの間で完全に保存されており、部位特異的変異誘発解析により、これらが触媒活性に不可欠であることが示された。また、HypBA2の活性部位は、他のGHファミリーの構造的ホモログの活性部位と比較した。GH63 α-グリコシダーゼ、GH94 キトビオースホスホリラーゼ、GH142 β-L-アラビノフラノシダーゼ、GH78 α-L-ラムノシダーゼ、GH37 α,α-トレハロースと比較した。これらの解析から、3つの保存残基は触媒作用と基質結合に必須であることが明らかになった。 GH121のβ-L-アラビノビオシダーゼ遺伝子は主にビフィズス菌やキサントモナス種のゲノムに存在することから、植物ヒドロキシプロリンを豊富に含む糖タンパク質上のβ-Ara2二糖の開裂と特異的輸入システムは動物の腸内共生体や植物病原体で共有されていることが示唆された。

Enzymes acting on α-L-arabinofuranosides have been extensively studied; however, the structures and functions of β-L-arabinofuranosidases are not fully understood. Three enzymes and an ABC transporter in a gene cluster of Bifidobacterium longum JCM 1217 constitute a degradation and import system of β-L-arabinooligosaccharides on plant hydroxyproline-rich glycoproteins. An extracellular β-L-arabinobiosidase (HypBA2) belonging to the glycoside hydrolase (GH) family 121 plays a key role in the degradation pathway by releasing β-1,2-linked arabinofuranose disaccharide (β-Ara2) for the specific sugar importer. Here, we present the crystal structure of the catalytic region of HypBA2 as the first three-dimensional structure of GH121 at 1.85 Å resolution. The HypBA2 structure consists of a central catalytic (α/α)6 barrel domain and two flanking (N- and C-terminal) β-sandwich domains. A pocket in the catalytic domain appears to be suitable for accommodating the β-Ara2 disaccharide. Three acidic residues Glu383, Asp515, and Glu713, located in this pocket, are completely conserved among all members of GH121; site-directed mutagenesis analysis showed that they are essential for catalytic activity. The active site of HypBA2 was compared with those of structural homologs in other GH families: GH63 α-glycosidase, GH94 chitobiose phosphorylase, GH142 β-L-arabinofuranosidase, GH78 α-L-rhamnosidase, and GH37 α,α-trehalase. Based on these analyses, we concluded that the three conserved residues are essential for catalysis and substrate binding. β-L-Arabinobiosidase genes in GH121 are mainly found in the genomes of bifidobacteria and Xanthomonas species, suggesting that the cleavage and specific import system for the β-Ara2 disaccharide on plant hydroxyproline-rich glycoproteins are shared in animal gut symbionts and plant pathogens.