フィターゼ

フィターゼ（ミオイノシトールヘキサキスリン酸ホスホヒドロラーゼ）は、フィチン酸（ミオイノシトールヘキサキスリン酸）の加水分解を触媒するホスファターゼ酵素の一種です。フィチン酸は消化できない有機リンで、多くの植物組織、特に穀物や油糧種子に含まれており、無機リンの利用可能な形態を放出します。^[1]フィターゼは動物、植物、真菌、細菌に存在することがわかっていますが、フィターゼは真菌から最も一般的に検出され、特徴付けられています。^[2]

最初の植物性フィターゼは1907年に米ぬかから発見され^{[3] [4]}、1908年には動物（子牛の肝臓と血液）から発見されました。 ^{[4] [5] 1962年に、}国際鉱物化学社（IMC）が2000種以上の微生物を研究し、フィターゼ生産に最も適したものを見つけようとした時、動物飼料の栄養強化を目的としたフィターゼの商品化に向けた最初の試みが始まりました。このプロジェクトは、当時IMCが飼料産業に供給していた無機リンの採掘可能な資源がいずれ枯渇するのではないかという懸念（ピークリンを参照）もあって開始されました。Aspergillus ( ficuum ) niger菌株NRRL 3135（ATCC 66876）は細胞外フィターゼを大量に生産できることから、有望な候補として特定されました^{[6] 。 [7]}しかし、この生物の効率は商業化には不十分だったため、プロジェクトは1968年に失敗に終わった。^[6]

それでも、1984年にA. nigerの同定は、比較的最近発明された組み換えDNA技術で作られたA. nigerの 変異体を使った新たな試みにつながりました。このUSDA資金によるプロジェクトは、以前IMCのプロジェクトに参加していたルディ・ウォジンスキー博士によって開始されました。^[6]この1984年のプロジェクトは、1991年に初めて部分的にクローン化されたフィターゼ遺伝子phyA（A. niger NRRL 31235由来）^{[6] [8]}につながり、その後1993年には完全な遺伝子のクローン化とA. nigerでの過剰発現につながりました。^{[6] [9]}

1991年にBASFは、動物飼料の栄養価を高めるために使用されたA. nigerで生産された最初の商業用フィターゼをNatuphosという商標 で販売し始めました。^[6]

1999年に大腸菌の細菌性フィターゼがA. nigerの真菌性フィターゼよりも効果的であることが確認されました。^{[6] [10] [11]}その後、多くの点で真菌性フィターゼよりも優れたこの新世代の細菌性フィターゼが動物飼料に使用されるようになりました。^[6]

文献では、4つの異なるクラスのフィターゼが特徴付けられています。ヒスチジン酸性ホスファターゼ（HAPS）、ベータプロペラフィターゼ（BPP）、紫色酸性ホスファターゼ（PAP）^[2] 、そして最近では、タンパク質チロシンホスファターゼ様フィターゼ（PTP様フィターゼ）^{[12]です。}

知られているフィターゼのほとんどは、ヒスチジン酸性ホスファターゼ（HAP）と呼ばれる酵素のクラスに属しています。HAPは、糸状菌、細菌、酵母、植物から単離されています。^[1]このクラスのフィターゼのすべてのメンバーは、共通の活性部位配列モチーフ（Arg-His-Gly-X-Arg-X-Pro）を共有し、フィチン酸（およびその他のリン酸エステル）を加水分解する2段階のメカニズムを備えています。^[2] Aspergillus niger菌由来のフィターゼはHAPであり、その高い比活性と、家禽や豚の穀物ベースの食事中のフィチン酸からのリン酸の生物学的利用能を高めるための動物飼料添加物として商業的に販売されていることでよく知られています。^[13] HAPは、動物飼料産業におけるフィターゼ生産の潜在的な代替方法として、いくつかの遺伝子組み換え植物で過剰発現されており^{[14] 、ごく最近では、}大腸菌由来のHAPフィターゼ遺伝子が遺伝子組み換え豚で発現することに成功しました。^[15]

β-プロペラフィターゼは、最近発見されたフィターゼの一種です。この酵素の最初の例はもともとバチルス属からクローン化されましたが^[2]、その後、多数の微生物がβ-プロペラフィターゼを産生することが確認されています。β-プロペラフィターゼの3次元構造は、6枚の羽根を持つプロペラに似ています。現在の研究では、β-プロペラフィターゼは水と土壌中の主要なフィチン酸分解酵素であり、フィチン酸-リン循環において主要な役割を果たしている可能性があることが示唆されています。^[16]

最近、発芽中の大豆の子葉から紫色酸性ホスファターゼ (PAP) の活性部位モチーフを持つフィターゼが単離されました。このクラスの金属酵素はよく研究されており、ゲノムデータベースの検索により、植物、哺乳類、真菌、細菌に PAP のような配列があることが明らかになっています。しかし、大豆由来の PAP だけが、何らかの顕著なフィターゼ活性を持つことがわかっています。PAP の 3 次元構造、活性部位配列モチーフ、および提案されている触媒メカニズムが決定されています。^{[引用が必要]}

既知のフィターゼのうち、タンパク質チロシンホスファターゼ（PTP）と呼ばれる酵素のスーパーファミリーに属するものはごくわずかです。比較的最近発見されたフィターゼのクラスであるPTP様フィターゼは、反芻動物の腸内に通常生息する細菌から単離されました。 ^[17]特徴付けられたすべてのPTP様フィターゼは、活性部位配列モチーフ（His-Cys-(X)5-Arg）、2段階の酸塩基脱リン酸化機構、およびリン酸化チロシン残基に対する活性を共有しており、これらはすべてのPTPスーパーファミリー酵素に共通する特徴です。^{[18] [19]}多くのPTPスーパーファミリー酵素と同様に、細菌性PTP様フィターゼの正確な生物学的基質と役割はまだ明確に特定されていません。反芻細菌由来の特徴的なPTP様フィターゼは、哺乳類のPTP様ホスホイノシチド/イノシトールホスファターゼPTENと配列および構造相同性を共有しており、^[12] Pseudomonas syringae由来のIII型分泌毒性タンパク質（HopPtoD2）のPTPドメインと有意な配列相同性を共有しています。^[20]

ほとんどのフィターゼは幅広い基質特異性を示し、ADP、ATP、フェニルリン酸、フルクトース1,6-ビスリン酸、グルコース6-リン酸、グリセロリン酸、3-ホスホグリセリン酸など、フィチン酸と構造的に類似していない多くのリン酸化化合物を加水分解する能力を持っています。バチルス属、アスペルギルス属、大腸菌由来のフィターゼ^[21]やPTP様フィターゼのクラスに属するフィターゼなど、フィチン酸に非常に特異的であると説明されているフィターゼはごくわずかです^[18]。

フィチン酸には 6 つのリン酸基があり、フィターゼによって異なる速度と順序で放出される可能性があります。フィターゼは段階的にフィチン酸からリン酸を加水分解し、再びさらなる加水分解の基質となる生成物を生成します。ほとんどのフィターゼは、フィチン酸から 6 つのリン酸基のうち 5 つを切断できます。フィターゼは、加水分解されるフィチン酸の最初のリン酸位置に基づいて分類されています。国際生化学連合の酵素命名委員会は、加水分解される最初のリン酸の位置に基づいて 3 種類のフィターゼを認識しています。これらは、3-フィターゼ( EC 3.1.3.8)、4-フィターゼ( EC 3.1.3.26)、および5-フィターゼ( EC 3.1.3.72) です。現在までに知られているフィターゼのほとんどは3-フィターゼまたは4-フィターゼであり^[21] 、ユリの花粉から精製されたHAP ^[22]とSelenomonas ruminantium subsp. lactilytica由来のPTP様フィターゼ^{[20]のみが}5-フィターゼ であると判定されています。

フィチン酸とその代謝産物は、種子や穀物においていくつかの重要な役割を果たしていますが、最も顕著なのは、リンの貯蔵、エネルギーの貯蔵、陽イオンの供給源、ミオイノシトール（細胞壁の前駆体）の供給源として機能することです。フィチン酸は、植物種子におけるリンの主な貯蔵形態であり、集約的な畜産業で使用される穀物ベースの飼料におけるリンの主な供給源です。フィチン酸に含まれる有機リン酸は、それを摂取する動物にはほとんど利用できませんが、フィターゼが放出する無機リン酸は容易に吸収されます。反芻動物は、その腸内に生息する細菌が多くの種類のフィターゼを産生することがよく知られているため、フィチン酸をリンの供給源として利用できます。しかし、単胃動物はフィターゼを産生する細菌を保有していないため、これらの動物はフィチン酸をリンの主な供給源として利用できず、糞便中に排泄されます。^[23]しかし、人間、特にベジタリアンやビーガンは腸内細菌叢の適応が進んでいるため、フィチン酸を分解するフィターゼを産生できる微生物を腸内に持つことができます。^[24]

フィチン酸とその代謝物は、真核生物の生理学的プロセスにおいて、他にもいくつかの重要な役割を果たしている。そのため、フィチン酸とその代謝物を加水分解するフィターゼも重要な役割を果たしている。フィチン酸とその代謝物は、DNA修復、クラスリン被覆小胞のリサイクル、神経伝達の制御、細胞増殖に関与していると考えられている。^{[25] [26] [27]}フィチン酸とその代謝物の調節におけるフィターゼの正確な役割、および上記の生理学的プロセスにおける結果としての役割は、まだほとんどわかっておらず、多くの研究の対象となっている。

フィターゼは、牛の飼料に添加されている間に人間に曝露され、過敏性肺炎を引き起こすことが報告されている。 ^{[28] [29]}

フィターゼは反芻動物（牛、羊）の腸内に生息する細菌によって生成され、穀物に含まれるフィチン酸をリン源として利用することを可能にする。 ^[30]人間、犬、豚、鳥などの非反芻動物（単胃動物）はフィターゼを生成しない。動物栄養学の分野では、飼料にフィターゼを補給して、カルシウム、リン、ミネラル、炭水化物、アミノ酸、タンパク質などのフィチン酸結合栄養素を動物に提供するというアイデアが提唱されている。^[31]カナダでは、主に唾液腺からフィターゼを生成する能力を持つEnviropigと呼ばれる遺伝子組み換え豚が開発され、限定生産が承認された。^{[32] [33]}

フィターゼは動物飼料サプリメントとして（主に家禽や豚に）使用され、フィチン酸（ミオイノシトールヘキサキスリン酸）から無機リン酸を遊離させることで植物材料の栄養価を高めます。フィターゼは遺伝子組み換え 微生物から精製することができ、最近では遺伝子組み換えキャノーラ、アルファルファ、イネ植物で生産されています。^{[34]フィターゼは培養された}リゾープス・オリゴスポルスからも生産されています。

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