J Life Sci Res 2014; 12: 25-28Ⓒ 2014 Osaka Prefecture University

報

Journal of Life Science Research
Online ISSN 2186-5809

告ビフィズス菌の糖鎖分解酵素とゲノム山本勇†１，才新直子２

１

神戸女子大学 家政学部 管理栄養士養成課程，654-8585 神戸市須磨区東須磨青山2-1
神戸女子短期大学 食物栄養学科，650-0046 神戸市中央区港島中町4-7-2

２

受付：2014年9月17日，受理：2014年10月7日

Polysaccharide degradation enzymes found in genomes of Bifidobacteria
Isamu YAMAMOTO†１ and Naoko SAISHIN２
Labaortory of Molecular Microbiology, Graduate School of Life Science, Kobe Women's University, 2-1 Higashisuma Aoyama, Sumaku, Kobe 654-8585, Japan; ２Department of Food Nutrition, Kobe Women’s Junior College, 4-7-2 Minatoshima Nakamachi, Chuo-ku,
Kobe 650-0046, Japan.

１

Received 17 September 2014; accepted 7 October 2014
Key words : Bifidobacteium（ビフィズス菌）; enzymes for polysaccharide degradation（糖鎖分解酵素）; genome（ゲノム）;
probiotics（プロバイオティクス）; prebiotics（プレバイオティクス）; gum arabic（アラビアゴム）

１分」をプレバイオティクスと呼んでいる3．プレバイオティ

はじめに
ヒトの腸内には沢山の種類の細菌が棲んで腸内細菌叢

クスにはビフィズス菌の増殖を引き起こすオリゴ糖や難を形成し，腸の蠕動運動の刺激，病原菌の増殖阻止，ビタ消化性の食物繊維などがあり，今後益々その開発が進めらミンの生産，免疫の活性化などの役割を担っている．腸内れていくと予想される．

細菌の種類と数は DNA の分析技術が進んで培養が困難なゲノムとは個々の生物がもつ全遺伝情報のことであり，菌も検出して定量化できるようになり，現在では 1000 種類

プロバイオティクスとして利用されている菌のゲノムの以上，100 兆個と考えられるようになった．その中で，ビフ分析が進むことによってプロバイオティクスについての

ィズス菌は腸内細菌叢の主要な構成細菌であり，ヒトや家理解が容易になり，関連する遺伝子の様々な分野での利用

畜の健康に有益なはたらきをしていることが明らかとなにつながると期待される．ここでは，特に糖鎖の分解に関って，プロバイオティクスとしての利用が広がっている．

する性質をゲノムの中に探ってみたい．

プロバイオティクスとは，1989年，R. Fuller によって「腸内細菌叢のバランスを改善することによって宿主に有益1２ビフィズス菌の特徴な効果をもたらす生菌」と定義され ，やがてアレルギーやビフィズス菌と通常呼んでいるものは，Bifidobacterium

コレステロール代謝の改善，免疫の活性化，発がん予防，抗属の嫌気性細菌のことで，桿状の両端に枝分かれしたようがん治療に研究が広がって，1998年，GuarnerとSchaafsmaな形を示すほか，次のような特徴をもつ4．グラム陽性，芽によって「適正な量を摂取したときに宿主に有用な作用を胞を形成せず，非運動性である．最適増殖温度は 37〜41 °C

2「宿主に有益な作用をも示す生菌」と再定義された ．一方，

で，25 °C 以下や 45 °C 以上では増殖しない．最適増殖 pH

たらす有用菌にのみ選択的に利用される難消化性食品成は 6.5〜7.0 で，pH 4.5 以下，8.5 以上では増殖しない．DNAの塩基組成比は G+C 含量が 57〜67 mol ％ で，これが DNA

†

連絡著者

E-mail: iyamamoto@suma.kobe-wu.ac.jp

編集部注：本稿は，編集部の依頼により，2013年11月22日におこなわれた特別講演の内容を基に執筆されたものである．の増幅に用いる PCR（DNA ポリメラーゼ連鎖反応）を困難にする原因になりうる．糖質分解性で，グルコースを分解して酢酸と乳酸を 3：2 の割合で生成するが，炭酸ガスを生

26

成しない．後でも述べるが，種々のオリゴ糖や多糖類を分れ，B. longum subsp. longum JCM1217 に遺伝子が同定され解して増殖することができることもビフィズス菌の特徴た8．母乳栄養児の糞便から分離されるビフィズス菌のほとである．

んどがラクト N-ビオースで増殖できることが見出されて

16S rRNA の分析から Actinobacteria 綱 Bifidobacteriaceae科に分類されている5．

いる9．母乳のオリゴ糖からラクト N-ビオースを遊離する
酵素ラクト N-ビオシダーゼも上記のビフィズス菌に見つ

ヒト腸内から分離されているビフィズス菌は B. adoles-かっている10．O-結合型ムチン糖タンパク質の糖鎖はガラ

centis, B. angulatum, B. bifidum, B. breve, B. catenulatum, B.

クト N-ビオース（ガラクトースが N-アセチルガラクトサミ

gallicum, B. longum subsp. infantis, B. longum subsp. longum,ンと β-1,3結合している）を構成成分としており，ガラクト

B. pseudocatenulatum の 7 種，2 亜種であり，このうち，特N-ビオースもラクト N-ビオース/ガラクト N-ビオースホスに 成 人 で は B. adolescentis, B. longum subsp. longum, B.

ホリラーゼで加リン酸分解される．ムチンから糖鎖を切りpseudocatenulatum が多く検出され，乳児では B. longum

出す酵素エンド α-N-アセチルガラクトサミニダーゼ11と α-subsp. infantis, B. breve が主である．ヒトにはこれらの菌種

N-アセチルガラクトサミニダーゼの遺伝子も同定され，糖の他に口腔に B. dentium も見つかっている．

鎖加水分解酵素の新規性が示されている12．

３４

ビフィズス菌のゲノム

アラビアゴムの構造と関連酵素

Bifidobacterium 属のゲノムとして全塩基配列の最初の解

アラビノースとガラクトースを主成分とする食物繊維

析は2002年に，B. longum NCC2705 株について報告された6．

をアラビノガラクタンといい，β-1,4-結合したガラクタンを

約 1800 の遺伝子のうち，糖の代謝や輸送に関連する遺伝子主鎖とするものを I 型，β-1,3-結合したガラクタンを主鎖とが 1 割を占めることは，ビフィズス菌が大腸で難消化性食するものを II 型として区別している．I 型アラビノガラク

物繊維をエネルギー源にしていることと符合している．40

タンのビフィズス菌による分解系の研究は B. longum を用種以上の糖鎖分解酵素，13種類の ABC トランスポーターがいてなされている13．アラビアゴムは II 型アラビノガラク

見つかったが，大腸菌に多く見られる PTS 輸送システムはタンを含んでおり，食品添加物の安定化剤や錠剤のコーテ一つだけであった．これらの糖鎖分解酵素と ABC トランスィングなどに使用されており，摂取する機会が多く，ヒトポーター，遺伝子の転写制御因子の遺伝子が並んだ領域が腸内でビフィズス菌の増殖を引き起こすことが知られて

7 か所あり，オリゴ糖や多糖類を効率よく利用できるよういる14, 15．B. longum subsp. longum と B. adolescentis の一部になっていると考えられる．アミノ酸，核酸の生合成の遺の株がアラビアゴムを炭素源として増殖に利用すること伝子は揃っている．ビタミン B 群のうち葉酸，チアミン，ニが報告されていた16が，その分解にはたらく酵素系やそのコチン酸の合成系はあるが，リボフラビン，ビオチン，コ遺伝子に関する研究は無かった．アラビアゴムは，D-ガラク

バラミン，パントテン酸，ピリドキシンは合成できない．

トースが β-1,3-結合した主鎖のガラクタンに D-ガラクトー

ヒトの糞便から単離された B. longum DJO10A 株のゲノスが β-1,6-結合した側鎖のガラクタンが付いており，そのムは NCC2705 株よりも 120 kbp 大きく，NCC2705 株にな

他に L-アラビノース，L-ラムノース，L-フコース，グルクロい糖鎖加水分解酵素の遺伝子群や抗生物質（lantibiotics）のン酸，4-O-メチルグルクロン酸が側鎖に付いている17．した合成酵素遺伝子があった7．NCC2705 株は乳製品の製造にがって，β-1,3-ガラクタナーゼ，β-1,6-ガラクタナーゼ，L-ア

訓養されているビフィズス菌であり，腸内で他の細菌と栄ラビノシダーゼ，L-ラムノシダーゼ，L-フコシダーゼ，グル養の奪い合いを余儀なくされているビフィズス菌とではクロニダーゼなどの酵素がアラビアゴムの分解に働いてゲノムに差があるといえる．この他のビフィズス菌種・菌おり新規性があると予想された．

株のゲノムが次々と報告されており，DDBJ, NCBI のデー
タベースで調べることができる．

５アラビアゴムで増殖するビフィズス菌

ヒトの母乳に含まれているビフィズス菌の増殖を引き

私達はアラビアゴムを炭素源とする増殖能を B. longum

起こすビフィズス菌増殖因子が，母乳のオリゴ糖の構成成

subsp. longum JCM 7052 と JCM 7053 に見出し，JCM 7052

分となっているラクト N-ビオース（ガラクトースが N-アセの菌抽出液で 4-ニトロフェニル化した糖を基質にして加水チルグルコサミンと β-1,3 結合した二糖）であり，ラクト N-分解酵素活性を測定すると，α-ガラクトシダーゼ，β-ガラクビオースを分解する酵素ラクト N-ビオース/ガラクト N-ビトシダーゼ，β-グルコシダーゼ，α-L-アラビノフラノシダー

オースホスホリラーゼは B. bifidum JCM1254 から精製さ

ゼ，α-L-アラビノピラノシダーゼ，α-L-フコピラノシダーゼ

27の活性がアラビアゴム培養で高くなることを見出した18．

類以上あるが，機能解明の必要な酵素がまだ残っている．

精製した α-ガラクトシダーゼは最適 pH が 8.0 という点でCAZy（http://www.cazy.org/）データや酵素科学，糖鎖科学

新規な酵素だが，アラビアゴムそのものを分解しなかっの情報を絡めて未同定遺伝子の機能を明らかにするととた．アミノ酸配列は既報の B. longum ゲノムには無く，アラもに，遺伝子の発現制御の研究を通してビフィズス菌のプビアゴムを分解する JCM 7052 株に独特の酵素と考えられロバイオティックな効果の要因を探ることが求められてる．β-ガラクトシダーゼを精製したところ，ラクトースを加いる．

水分解できず，α-L-アラビノピラノシダーゼと α-L-フコピラノシダーゼの活性を示し，アミノ酸配列は lacA 遺伝子にコ19次々に出される研究報告に目を通すのが大変な時代になードされていた ．確認していないが，この酵素は β-1,4ガラったと感じる日々であるが，2010年頃迄のビフィズス菌やクドシド結合は切断せず，β-1,3ガラクトシド結合に特異的プロバイオティクスに関する研究をまとめたものが，二つのな酵素と思われる．

日本の学会と世界の研究者によって出版されている23, 24, 25．
関心のある方にお薦めしたい．

６

アラビアゴム分解性とゲノム
未発表であるが，B. longum subsp. longum JCM 7052 株のゲノムの塩基配列をほぼ読み取っている．未読の領域は挿入配列（insertion sequence, IS）とリボソーム RNA 領域で，謝辞寄稿の機会を頂きました大阪府 立大学総合リハビリテーション学部の邨次誠教授に感謝申し上げます．

ほぼ同じ配列が数か所にあるため DNA コンティグ間を埋めきれていない．ゲノムの特徴は B. longum NCC2705 とDJO10A のゲノムと共通しており，ラクト N-ビオース/ガ
ラクト N-ビオースホスホリラーゼ，ガラクト N-ビオシダー
ゼもあった．最近，エキソ β-1,3ガラクタナーゼとエンド β1,6ガラクタナーゼの遺伝子が B. longum JCM 1217 に同定
20

文献
1 Fuller R (1989) Probiotics in man and animals. J ApplBacteriol, 66: 365-378.
2 Guarner F, Schaafsma GJ (1998) Probiotics. Int J FoodMicrobiol, 39: 237-238.

され，酵素の性質も詳しく報告された が，これら二つのア

3 Gibson GR, Roberfroid MB (1995) Dietary modulation

ラビゴムの分解に必須の遺伝子も JCM 7052 にある．一方，of the human colonic microbiota: introducing the con-JCM 7052 には上記の α-ガラクトシダーゼの遺伝子 agaX

cept of prebiotics. J Nutr, 125: 1401-1412.と 3 個の ABC トランスポーター，LacI 型転写制御因子，も4 Scardovi V (1986) Genus Bifidobacterium “Bergey’s

う一つの糖鎖加水分解酵素の遺伝子クラスターが見つか

manual of systematic bacteriology” Vol. 2, (Sneath PHA,った．これは B. adolescentis L2-32 の各遺伝子と高い相同性

Mair NS, Sharpe ME, et al. editors), Williams andを示した．更に，リボフラビン合成遺伝子も見つかるなど，Wilkins, Baltimore, pp.1418-1434.

既報の B. longum ゲノムには見られない塩基配列が見つか

5 Stackebrandt E, Rainey FA, Ward-Rainey NL (1997) Pro-っている．現在，agaX の遺伝子クラスターとアラビアゴム

posal for a new hierarchic classification system, Acti-の分解能との関係を検討しているところである．

nobacteria classis nov. Int J Syst Bacteriol, 47: 479-491.
6 Schell MA, Karmirantzou M, Snel B, et al. (2002) The

７genome sequence of Bifidobacterium longum reflects its

おわりにビフィズス菌の糖鎖分解酵素について母乳のビフィズ

ス菌増殖因子と II 型アラビノガラクタン分解系の研究を

adaptation to the human gastrointestinal tract. Proc Natl
Acad Sci USA, 99: 14422-14427.

中心に述べてきた．糖鎖分解では朝鮮人参の薬効成分や大7 Lee J-H, Karamychev VN, Kozyavkin SA, et al. (2008)

豆のイソフラボンの活性化に関するビフィズス菌の β-グComparative genomic analysis of the gut bacterium21, 22．

Bifidobacterium longum reveals loci susceptible to dele-ビフィズス菌のゲノムには同じ活性を持つ酵素が幾つもtion during pure culture growth. BMC Genomics 9: 247.

あるが，菌種によって利用可能な糖類が異なることから，

8 Kitaoka M, Tian J, Nishimoto M (2005) Novel putative

どの遺伝子にコードされた酵素がどんな時に何に作用すgalactose operon involving lacto-N-biose phosphorylase

るのかなど遺伝子発現の条件も異なると思われる．

in Bifidobacterium longum. Appl Environ Microbiol, 71:

ルコシダーゼ遺伝子について最近の知見が報告されたビフィズス菌のゲノムに存在する糖鎖分解酵素は50種

3158-3165.

289 Xiao J Z, Takahashi S, Nishimoto M, et al. (2010) Distribution of in vitro fermentation ability of lacto-N-biose I, aDegradation of complex carbohydrates by Bifidobacterium
spp. Int J Food Microbiol, 24: 199-210.

major building block of human milk oligosaccharides, in

17 Street CA, Anderson DMW (1983) Refinement of thebifidobacterial strains. Appl Environ Microbiol, 76: 54-59.

structures previously proposed for gum arabic and other

10 Sakurama H, Kiyohara M, Wada J, et al. (2013) Lacto-N-Acacia gum exudates. Talanta 30: 887-893.

biosidase encoded by a novel gene of Bifidobacterium

18 Saishin N, Yamamoto I (2009) α-Galactosidase purified

longum subspecies longum shows unique substratefrom Bifidobacterium longum JCM 7052 grown on gum

specificity and requires a designated chaperone for itsarabic. J Biol Macromol, 9: 71-80.

active expression. J Biol Chem, 288: 25194-25206.

19 Saishin N, Ueta M, Wada A, Yamamoto I (2010) Proper-

11 Fujita K, Oura F, Nagamine N, et al. (2005) Identificationties of β-galactosidase purified from Bifidobacterium

and molecular cloning of a novel glycoside hydrolase

longum subsp. longum JCM 7052 grown on gum arabic.

family of core 1 type O-glycan-specific endo-α-N-acetyl-J Biol Macromol, 10: 23-31.

galactosaminidase from Bifidobacterium longum. J Biol
Chem, 280: 37415-37422.
12 Kiyohara M, Nakatomi T, Kurihara S, et al. (2012) α-Nacetylgalactosaminidase from infant-associated bifi-

20 Fujita K, Sakaguchi T, Sakamoto A, et al. (2014) Bifidobacterium longum subsp. longum exo-β-1,3-galactanase,an enzyme for the degradation of type II arabinogalactan.
Appl Environ Microbiol, 80: 4577-4584.

dobacteria belonging to novel glycoside hydrolase family

21 Jung IH, Lee JH, Hyun YJ, Kim DH (2012) Metabolism

129 is implicated in alternative mucin degradation path-of ginsenoside Rb1 by human intestinal microflora andway. J Biol Chem, 287: 693-700.

cloning of its metabolizing β-D-glucosidase from Bifi-

13 Hinz SWA, Pastink MI, van den Broek LAM, et al. (2005)

dobacterium longum H-1. Biol Pharm Bull, 35: 573-581.

Bifidobacterium longum endogalactanase liberates galac-

22 Alegría A, Delgado S, Guadamuro L, et al. (2014) Thetotriose from type I galactans. Appl Environ Microbiol,

genome of Bifidobacterium pseudocatenulatum IPLA

71: 5501-5510.

36007, a human intestinal strain with isoflavone-activa-

14 Cherbut C, Michel C, Raison V, et al. (2003) Acacia gum
is a bifidogenic dietary fibre with high digestive tolerance
in healthy human. Microb Ecol Health Dis, 15: 43-50.
15 Calame W, Weseler AR, Viebke C, et al. (2008) Gum arabic establishes prebiotic functionality in healthy humanvolunteers in a dose-dependent manner. Br J Nutr, 100:1269-1275.
16 Crociani F, Alessandrini A, Mucci MM, Biavati B (1994)

tion activity. Gut Pathog. 6: 31.
23 日本乳酸菌学会（2010）“乳酸菌とビフィズス菌のサイエンス”，京都大学学術出版会，京都．
24 日本ビフィズス菌センター（2011）“腸内共生系のバイオサイエンス”，丸善出版，東京．
25 Bifidobacteria genomics and molecular aspects (2010)(Mayo B, van Sinderen D, editors), Caister Academic
Press, Norfolk, UK