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酵素学において、セロビオース脱水素酵素（受容体）（EC 1.1.99.18）は、化学反応を触媒する酵素である。
この酵素の2つの基質はセロビオースと電子受容体である。その生成物はセロビオノ-1,5-ラクトンと対応する還元型受容体である。[ 1 ]
この酵素は酸化還元酵素ファミリーに属し、具体的にはドナーのCH-OH基に作用して他のアクセプターと反応する酵素です。この酵素クラスの系統名はセロビオース:アクセプター1-酸化還元酵素です。一般的に使用される他の名称には、セロビオース脱水素酵素、セロビオース酸化還元酵素、Phanerochaete chrysosporiumセロビオース酸化還元酵素、CBOR、セロビオース酸化酵素、セロビオース:酸素1-酸化還元酵素、CDH、セロビオース:(アクセプター)1-酸化還元酵素などがあります。この酵素は、時には1つの補因子FADを使用しますが、ほとんどの場合は別々のドメインに存在するヘムとFADの両方を使用します。そのため、この酵素はより複雑な細胞外酸化還元酵素の1つとなっています。この酵素は木材分解生物によって産生されます。[ 2 ]
現在までに、分離された脱水素酵素（DH）ドメインとシトクロム（CYT）ドメインの構造が報告されている（ PDBアクセッションコードPDB : 1NAA [3 ]およびPDB : 1PL3 [4 ] ）。2015年には、 Crassicarpon hotsonii syn. Myriococcum thermophilum由来の CDH （Ch CDH、PDBアクセッションコード4QI6 ）とNeurospora crassa由来の CDH （Nc CDH、PDBアクセッションコード4QI7 ）の全長構造が解明された。[ 5 ]
CYTドメインの可動性により、CDHの結晶化とX線構造の解明は長らく妨げられてきた。しかし、個々のCYTドメイン[ 6 ]とDHドメイン[ 7 ]の結晶構造は、すでに構造的な相補性とドメイン界面の位置を示しており、生化学的および生物電気化学的研究で観察されたドメイン間電子移動の構造的基盤を提供している[ 8 ] 。
Phanerochaete chrysosporium DHドメインの結晶構造は、Hallbergらによってピーナッツ型で、寸法は約72 x 57 x 45 Åであると記述された。観察されたGMC酸化還元酵素タンパク質フォールドは、FAD結合サブドメインと基質結合サブドメインを特徴とする。FAD結合サブドメインは主にロスマンフォールドから構成され、これはNAD(P)依存性およびFAD依存性酵素に典型的なものである。一方、基質結合サブドメインは、中央のねじれた7本のストランドからなるβシートで構成され、シートの片側に3本のαヘリックスがあり、反対側に活性部位がある。基質結合サブドメインには、基質結合部位（B部位）と触媒部位（C部位）からなる活性部位が存在する。B部位はセロビオースの非還元末端を所定の位置に保持し、C部位はセロビオースの還元末端を酸化する。
CYT ドメインは、30 x 36 x 47 Å の寸法を持つ楕円形の逆平行 β サンドイッチで構成され、5 本のストランドからなる内側 β シートと 6 本のストランドからなる外側 β シートを持つ抗体 Fab フラグメントの可変重鎖に似たトポロジーを持つ。このタンパク質フォールドは、シトクロムで観察された新しいフォールドである。両方の個々の結晶構造は、機構的な洞察を提供した。DH ドメインは阻害剤セロビオノラクタムに浸漬され、基質の結合位置が解明され、還元半反応の機構的な説明が与えられた [52]。CYT ドメイン構造は、His および Met 残基による珍しい軸方向のヘム b 鉄配位を明らかにし、これが 2 つのドメイン間の分子内電子移動の基礎となっている。[ 9 ] Rotseart らによって行われた鉄配位ヘムリガンドの変異研究。[ 10 ]は、MetをHisに置換するか、両方のリガンドを入れ替えると、IET不活性なCYTドメインが生じることを示した。
2015年に、Crassicarpon hotsonii (syn. Myriococcum thermophilum ) (PDB ID: 4QI6) およびNeurospora crassa (PDB ID: 4QI7) の全長 CDH の構造が解明され、組み込みの酸化還元メディエーターとしての CYT の役割に対するドメインの可動性についての理解が深まった。 Tan および Kracher ら[ 11 ]は、CDH が閉じた状態と開いた状態のコンフォメーションで存在することを示した。閉じた状態では、ヘム b は基質の酸化後に FAD から電子を受け取り、開いた状態では外部の電子受容体に電子を供与する。IET は、FAD とヘム補因子の間に直接位置する目立つ Trp 残基ではなく、基質チャネルの表面に露出した Arg に依存し、ヘムプロピオン酸基を介して CYT との相互作用を安定化させることがわかった。ヘム b プロピオン酸-D は折り畳まれており、CYT ドメインの Tyr99 との水素結合により、DH 活性部位と直接相互作用することが妨げられています。ヘム b と FAD の最も近い端から端までの距離は 9 Å であり、これは効率的な電子伝達の 14 Å の制限内に十分に収まっています。[ 12 ] CDH の可動 CYT ドメインは、GMC 酸化還元酵素の中ではユニークな特徴であり、進化の後期段階で獲得されました。[ 13 ] CYT ドメインの可動性は、長さと組成が異なる柔軟なペプチド リンカー (例: N. crassa CDH IIA = 17 アミノ酸、N. crassa CDH IIB = 33 アミノ酸) によって制御され、このリンカーが両方のドメインを連結しています。CYT の動きは、AFM [ 14 ]および SAXS [ 15 ]の研究によって観察されています。
CDH配列は4つの系統発生的分岐に進化しました。[ 16 ]クラスI CDH配列は担子菌類にのみ見られ、クラスII、クラスIII、クラスIVのCDH配列は子嚢菌類にのみ見られます。クラスI CDHはセルロースに対する強い親和性を持ち、活性部位とは異なるDHドメイン表面のセルロース結合部位を介して結合すると考えられています[ 17 ]。このセルロース結合部位は他のCDHクラスには存在しません。クラスII CDHのセルロースへの結合は、C末端ファミリー1炭水化物結合モジュール（CBM1）の存在に依存します。一部のクラスII CDHはC末端CBM1を持ち、クラスIIA CDHに分類されますが、クラスIIB CDHはCBM1を持たず、セルロースに結合しません。クラスI CDHとクラスII CDHのその他の違いは、基質特異性とIETのpH最適値にあります。クラスIIIおよびクラスIV CDHについては、まだ発現・特性解析が行われていないため、ほとんど何も言えません。配列アライメントから活性部位の形状が異なると推測できますが、基質は不明です。クラスIV CDHは他のCDHクラスとは進化的に最も近縁であり、電子伝達ドメインであるCYTドメインを持たないことから、生理的役割が異なり、直接電子伝達（DET）能力を失っていると考えられます。
CDHは、二糖類セロビオースのアノマー炭素原子（C1）の2e-/2H+酸化を触媒し、セロビオノ-δ-ラクトンを生成し、さらに水中で加水分解してセロビオン酸を生成します。天然基質であるセロビオース、セロデキストリンであるセロトリオース、セロテトラオース、セロペンタオース、セロヘキサオースに加えて、セルロース構成単位であるグルコース、ヘミセルロース構成モノマーまたは分解生成物であるガラクトース、マンノース、マンノビオース、マンノペンタオース、キシロース、キシロビオース、キシロトリオース、またはデンプン由来のマルトース、マルトトリオース、マルトテトラオースも、CDHの触媒効率が大きく異なる基質として報告されています。[ 18 ]植物多糖類とは関係のない非常に優れた基質は、セロビオースと構造が似ているラクトースです。セロビオース、セロオリゴ糖、ラクトースは、CDH が最も高い触媒効率を示す基質である一方、単糖類はCDH の触媒 C 部位にのみ非常に低い親和性 (高い K M ) を持つ悪い基質である。P . chrysosporium CDH のセロビオースに対する触媒効率がグルコースに対する触媒効率 (87500 : 1) と極端に異なることは、白色腐朽担子菌酵素の生理的役割と関連付けられている。[ 19 ]子嚢菌 CDH では、グルコースの識別はそれほど厳密ではなく[ 20 ]、より広い範囲の単糖類とオリゴ糖類が変換される。もちろん、CDH の二糖類およびオリゴ糖基質に対する親和性は、単糖類に対する親和性よりもはるかに高い。しかし、クラスII CDHのグルコースに対するK M値は10～100 mMであり、これはFAD依存性グルコースオキシダーゼ（同じくGMC酸化還元酵素）（5～100 mM）の範囲内である。クラスIおよびクラスII CDHの触媒速度がグルコースオキシダーゼ（300～2000 s⁻¹）に比べて低い（50 s⁻¹未満）のは、おそらく獲得したCYTドメインがIETを最適化し、遊休活性部位での基質の無駄な反応を防ぐための進化的な適応であろう。
CDHは、バイオセンサーやバイオ燃料電池に適した電気触媒となる様々な特性を示します。[ 21 ]他の炭水化物変換GMC酸化還元酵素とは異なり、媒介電子移動（MET）または直接電子移動（DET）を介して接触することができます。グルコースやラクトースなどの商業的または医学的に関連する分子を定量するためのCDHベースの第2世代および第3世代バイオセンサーが開発されています。第2世代バイオセンサーの利点は高感度であり、第3世代バイオセンサーの利点は埋め込み型血糖モニタリングシステムにおける酸化還元メディエーターの回避です。CDHベースの第3世代バイオセンサーは、CDHの優れた熱安定性とターンオーバー安定性、および多くの電極材料や表面修飾と相互作用し、かなり高い電流密度を供給できる可動性CYTドメインのおかげで、堅牢な性能を発揮します。
CDHは、1992年にElmgrenらが重合度2～6のセロオリゴ糖、ラクトース、マルトースに感度のある新しいバイオセンサーを報告して以来、さまざまな分析対象物の検出のためのバイオセンサー要素として使用されてきました。[ 22 ]それ以降2013年までのバイオセンサーとして使用されるCDHに関する研究がレビューされ、[ 23 ]フェノール類（カテコール、ドーパミン、ノルアドレナリン、ヒドロキノン、アミノフェノール）と炭水化物（セロビオース、ラクトース、マルトース、グルコース）の両方について、DETモードとMETモードの両方でCDHベースのバイオセンサーのリストが提供されています。
クラスIおよびクラスII CDHは、バイオセンサーの生体触媒として利用されてきました。好ましい基質に応じて、クラスI CDHは主にフェノール、セロビオース、ラクトースの検出と定量に用いられ、クラスII CDHはセロビオース、ラクトース、マルトース、グルコースの検出に用いられてきました。クラスI CDHの中でも、Phanerochaete chrysosporium CDHは最も包括的に研究されている酵素であり、様々なフェノール誘導体、セロビオース、ラクトースの検出に用いられてきました。Phanerochaete sordidaおよびTrametes villosa CDHはラクトースの検出に、Sclerotium rolfsii CDHはドーパミンの検出に用いられています。
クラスII CDHのうち、Crassicarpon hotsoniiおよびCrassicarpon thermophilum CDHはセロビオース、ラクトース、グルコース、マルトースの認識要素として、 Humicola insolens CDHはグルコースおよびマルトースの認識要素として用いられた。マルトースの検出は、血糖値検査において重要な、マルトースがグルコースの検出を妨害しないことを示すためだけに報告された。[ 24 ]
2017年、DirectSens GmbHは、乳糖低減乳製品中の極めて低い乳糖濃度を検出するための、CDHをベースとした初の乳糖バイオセンサーを発売しました。LactoSensは、市場で唯一の第3世代バイオセンサーであり、世界中の乳製品会社に販売されています。
