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β-ガラクトシダーゼ（EC 3.2.1.23、ベータ-galまたはβ-gal；系統名β- D-ガラクトシドガラクトヒドロラーゼ）は、β- D-ガラクトシド中の末端非還元β- D-ガラクトース残基の加水分解を触媒するグリコシドヒドロラーゼ酵素です。（この酵素はラクトースだけでなく、多くのβ-ガラクトシドを分解します。時折、ラクターゼと呼ばれることもありますが、その名称は一般的にラクトースを特異的に分解する哺乳類の消化酵素に用いられます。）
β-ガラクトシドは、ガラクトース分子の上にグリコシド結合があるガラクトースを含む炭水化物です。さまざまなβ-ガラクトシダーゼの基質には、ガングリオシドGM1、ラクトシルセラミド、ラクトース、およびさまざまな糖タンパク質が含まれます。[ 1 ]
β-ガラクトシダーゼは、ガラクトースとその有機部分の間に形成されたβ-グリコシド結合を加水分解するエキソグリコシダーゼです。フコシドやアラビノシドも切断する可能性がありますが、その速度ははるかに低くなります。これは人体に必須の酵素です。このタンパク質の欠乏は、ガラクトシアリドーシスまたはモルキオB症候群を引き起こす可能性があります。大腸菌では、lacZ遺伝子はβ-ガラクトシダーゼの構造遺伝子であり、誘導システムlacオペロンの一部として存在し、グルコースレベルが低いときにラクトースの存在下で活性化されます。グルコースレベルが十分になると、β-ガラクトシダーゼの合成は停止します。[ 2 ]
β-ガラクトシダーゼには、類似した配列に基づく多くの相同体が存在する。進化したβ-ガラクトシダーゼ（EBG）、 β-グルコシダーゼ、6-ホスホ-β-ガラクトシダーゼ、β-マンノシダーゼ、およびラクターゼ-フロリジンヒドロラーゼなどが挙げられる。これらは構造的に類似しているかもしれないが、それぞれ異なる機能を持つ。[ 3 ] β-ガラクトシダーゼは、 L-リボースおよび競合阻害剤である2-フェニルエチル-1-チオ-β- D-ガラクトピラノシド（PETG）、D-ガラクトノラクトン、イソプロピルチオ-β- D-ガラクトシド（IPTG）、およびガラクトースによって阻害される。 [ 4 ]
β-ガラクトシダーゼは、乳糖をガラクトースとグルコースに分解することでエネルギーと炭素源を生成する上で重要な役割を果たすため、生物にとって重要です。また、乳糖不耐症の人にとっても、乳糖を含まない牛乳やその他の乳製品を作る上で重要な役割を果たします。多くの成人は、 β-ガラクトシダーゼと同じ機能を持つラクターゼ酵素を欠いているため、乳製品を適切に消化することができません。β-ガラクトースは、ヨーグルト、サワークリーム、一部のチーズなどの乳製品に使用されており、これらは人間が摂取する前に酵素で処理され、乳糖が分解されます。近年、β-ガラクトシダーゼは、遺伝子置換療法によって乳糖不耐症の潜在的な治療法として研究されており、ヒトのDNAに組み込むことで、個人が乳糖を自力で分解できるようになります。[ 5 ] [ 6 ]
大腸菌β-ガラクトシダーゼの1,023個のアミノ酸配列は1983年に決定され[ 7 ]、その構造は11年後の1994年に決定された。このタンパク質は2,2,2点対称性を持つ464 kDaのホモ四量体である[ 8 ]。β-ガラクトシダーゼの各ユニットは5つのドメインから構成されており、ドメイン1はジェリーロール型βバレル、ドメイン2と4はフィブロネクチンタイプIII様バレル、ドメイン5は新規βサンドイッチ、中央のドメイン3は歪んだTIM型バレルで、5番目のヘリックスが欠落し、6番目のストランドに歪みがある[ 8 ] 。
3番目のドメインには活性部位が含まれています。[ 9 ]活性部位はテトラマーの2つのサブユニットの要素で構成されており、テトラマーがダイマーに解離すると、活性部位の重要な要素が除去されます。α相補に関与するαペプチドであるβ-ガラクトシダーゼのアミノ末端配列は、サブユニット界面に関与しています。その残基22～31は、その界面の大部分を形成する4つのヘリックス束を安定化するのに役立ち、残基13と15も活性化界面に寄与しています。 これらの構造的特徴は、アミノ末端セグメントの欠失によって不活性なダイマーが形成されるα相補現象の根拠となります。
β-ガラクトシダーゼは、生物内で3つの異なる反応を触媒することができます。1つは、トランスガラクトシル化と呼ばれるプロセスを経てアロラクトースを生成し、β-ガラクトースの生成に対する正のフィードバックループを形成することです。アロラクトースは、単糖を形成するために切断されることもあります。また、ラクトースを加水分解してガラクトースとグルコースにし、これらは解糖系に進みます。[ 3 ] β-ガラクトシダーゼの活性部位は、「浅い」（非生産的な部位）および「深い」（生産的な部位）結合を介して二糖基質の加水分解を触媒します。PETGやIPTGなどのガラクトシドは、酵素が「開いた」コンフォメーションにあるときに浅い部位に結合し、L-リボースやD-ガラクトノラクトンなどの遷移状態アナログは、コンフォメーションが「閉じた」ときに深い部位に結合します。[ 4 ]
酵素反応は、ガラクトシル化と脱ガラクトシル化の 2 つの化学ステップから構成されます。ガラクトシル化は、反応の最初の化学ステップであり、Glu461 がグリコシド酸素にプロトンを供与し、ガラクトースが Glu537 と共有結合します。2 番目のステップである脱ガラクトシル化では、Glu461 がプロトンを受け取り、ガラクトースが水に置き換わることで共有結合が切断されます。反応中、酵素の深部部位で 2 つの遷移状態が、各ステップの後に 1 回ずつ発生します。水が反応に関与するとガラクトースが形成されますが、そうでない場合、2 番目のステップでD -グルコースが受容体として作用すると、トランスガラクトシル化が起こります。 [ 4 ]タンパク質の単一の四量体が、毎分 38,500 ± 900 回の反応速度で反応を触媒することが速度論的に測定されています。[ 10 ]酵素の最適な活性には、一価のカリウムイオン（K +）と二価のマグネシウムイオン（Mg 2+ ）が必要である。基質のβ結合は、グルタミン酸の側鎖の末端カルボキシル基によって切断される。
大腸菌では、置換反応においてGlu-461 が求核剤であると考えられていた。[ 11 ]しかし、現在では Glu-461 は酸触媒であることがわかっている。代わりに、実際の求核剤は Glu-537 であり、[ 12 ]ガラクトシル中間体に結合している。ヒトでは、加水分解反応の求核剤はGlu-268 である。[ 13 ] Gly794 は β-ガラクトシダーゼ活性に重要である。酵素を「閉じた」リガンド結合コンフォメーションまたは「開いた」コンフォメーションにする役割を担っており、活性部位ループの「ヒンジ」のように機能する。異なるコンフォメーションにより、活性部位では優先的な結合のみが起こることが保証される。遅い基質が存在すると、Gly794 活性が増加し、ガラクトシル化が増加し、脱ガラクトシル化が減少した。[ 4 ]
β-ガラクトシダーゼアッセイは、遺伝学、分子生物学、その他の生命科学で頻繁に使用されています。[ 14 ] 活性酵素は、人工発色基質である5-ブロモ-4-クロロ-3-インドリル-β- D-ガラクトピラノシド、X-galを使用して検出できます。β-ガラクトシダーゼはX-galのグリコシド結合を切断し、ガラクトースと5-ブロモ-4-クロロ-3-ヒドロキシインドールを生成します。これは二量化して酸化され、識別と定量が容易な濃い青色の生成物である5,5'-ジブロモ-4,4'-ジクロロインジゴになります。[ 15 ]例えば、ブルーホワイトスクリーンで使用されています。[ 16 ]その産生は、アロラクトースの非加水分解性アナログであるIPTGによって誘導される可能性があり、 IPTGはlacリプレッサーをlacオペレーターから結合および放出することで、転写の開始を進行させる。
分子生物学では、遺伝子発現をモニタリングするためのレポーターマーカーとして一般的に使用されています。また、α相補性と呼ばれる現象も示し、これが組換えクローンの青/白スクリーニングの基礎となっています。この酵素は、LacZ αとLacZ Ωという2つのペプチドに分割できますが、どちらも単独では活性がありません。しかし、両方が一緒に存在すると、自発的に再構成されて機能的な酵素になります。この性質は、多くのクローニングベクターで利用されており、プラスミド中のlacZα遺伝子の存在によって、特定の実験室株のE. coliにおいて、LacZΩをコードする別の変異遺伝子をトランスで相補することができます。しかし、DNA断片がベクターに挿入されると、LacZαの産生が阻害され、細胞はβ-ガラクトシダーゼ活性を示しません。活性β-ガラクトシダーゼの存在または非存在は、 β-ガラクトシダーゼによって切断されると特徴的な青色の色素を生成するX-galによって検出できるため、プラスミド中のクローン化産物の存在または非存在を容易に区別する手段となる。白血病染色体転座の研究において、DobsonらはマウスでLacZの融合タンパク質を使用し[ 17 ] 、 β-ガラクトシダーゼのオリゴマー化傾向を利用して、MLL融合タンパク質の機能におけるオリゴマー化の潜在的な役割を示唆した[ 18 ] 。
2020～2021年に実施された最近の研究では、β-ガラクトシダーゼ活性が細胞老化と相関することが明らかになった。細胞老化とは、細胞が分裂しないが死滅もしない過程である。老化細胞ではβ-ガラクトシダーゼ活性が過剰発現することがあり、これが広範囲の身体系に影響を与える様々な疾患につながる可能性がある。これらの身体系には、心血管系、骨格系などが含まれる。老化細胞の検出は、リソソームβ-ガラクトシダーゼ活性を測定することによって達成できる。[ 19 ]
老化細胞のみがpH 6.0でβ-ガラクトシダーゼ活性を示すことから、老化細胞のみに発現するβ-ガラクトシダーゼの特定のアイソフォームが存在すると仮説が立てられた（老化関連β-ガラクトシダーゼまたはSA-β-ガラクトシダーゼ）。[ 20 ] その検出のための特異的な定量アッセイも開発された。[ 21 ] [ 15 ] [ 22 ]しかし、この現象はリソソーム内因性β-ガラクトシダーゼの過剰発現と蓄積によって起こることが現在では知られており、[ 23 ]したがってβ-ガラクトシダーゼの明確なアイソフォームを表すものではなく、老化状態の進行や維持に必要な表現型でもない。それにもかかわらず、信頼性が高く検出が容易であるため、老化細胞および加齢細胞の最も広く使用されているバイオマーカーであり続けている。
大腸菌を含む一部の細菌種は、追加のβ-ガラクトシダーゼ遺伝子を持っています。進化型β-ガラクトシダーゼ（ebgA ）遺伝子と呼ばれる2番目の遺伝子は、 lacZ遺伝子が欠失した株（ただし、ガラクトシド透過酵素lacY遺伝子は保持している）を、唯一の炭素源としてラクトース（またはその他の3-ガラクトシド）を含む培地に播種したときに発見されました。しばらくすると、特定のコロニーが成長し始めました。しかし、EbgAタンパク質は効果のないラクターゼであり、ラクトース上での成長を許しません。2種類の単一点変異により、ebg酵素のラクトースに対する活性が劇的に向上します。[ 24 ] [ 25 ]その結果、変異酵素はlacZ β-ガラクトシダーゼを置き換えることができます。[ 26 ] EbgAとLacZは、DNAレベルで50%、アミノ酸レベルで33%の同一性があります。[ 27 ]活性型ebg酵素は、ebgA遺伝子とebgC遺伝子産物が1:1の比率で集合したものであり、活性型ebg酵素はα4β4ヘテロ八量体である。[ 28 ]
β-ガラクトシダーゼに関する研究の多くは大腸菌から得られています。しかし、この酵素は多くの植物（特に果物）、哺乳類、酵母、細菌、真菌にも見られます。[ 29 ] β-ガラクトシダーゼ遺伝子は、コード配列の長さとアミノ酸から形成されるタンパク質の長さが異なる場合があります。[ 30 ]これにより、β-ガラクトシダーゼはGHF-1、GHF-2、GHF-35、GHF-42の4つのファミリーに分けられます。 [ 31 ]大腸菌はGHF-2に属し、すべての植物はGHF-35に属し、Thermus thermophilusはGHF-42に属します。[ 31 ] [ 30 ]さまざまな果物が複数のβ-ガラクトシダーゼ遺伝子を発現することができます。トマトの果実の発達では、少なくとも7つのβ-ガラクトシダーゼ遺伝子が発現しており、アミノ酸の類似性は33%から79%です。[ 32 ]モモの果実軟化を特定することを目的とした研究では、β-ガラクトシダーゼの17種類の遺伝子発現が発見された。[ 30 ] β-ガラクトシダーゼの既知の結晶構造は、 Thermus thermophilus 由来のもののみである。[ 31 ]