Journal of Environmental Biotechnology（環境バイオテクノロジー学会誌）
Vol. 12, No. 2, 113–121, 2012

総

説（一般）

芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの電子伝達におけるタンパク質間相互作用
Electron-Transfer Interaction in Aromatic Ring Oxygenase Systems
井上

謙吾 1*，梅田隆志 2，松澤

淳 2，野尻秀昭 2

Kengo Inoue, Takashi Umeda, Jun Matsuzawa and Hideaki Nojiri
宮崎大学 IR 推進機構 〒 889–1692 宮崎県宮崎市清武町木原 5200
東京大学生物生産工学研究センター 環境保全工学部門 〒 113–8657 東京都文京区弥生 1–1–1* TEL/FAX: 0985–85–1843* E-mail: kinoue@cc.miyazaki-u.ac.jp
1
Interdisciplinary Research Organization, University of Miyazaki,
5200 Kihara, Kiyotake, Miyazaki, Miyazaki 889–1692, Japan
2
Biotechnology Research Center, The University of Tokyo,
1–1–1 Yayoi, Bunkyo-ku, Tokyo, Tokyo 113–8657, Japan
1

2

キーワード：芳香族化合物，オキシゲナーゼ，電子伝達
Key words: Aromatic compounds, Oxygenase, Electron transfer
（原稿受付

1.

2012 年 10 月 22 日／原稿受理

はじめにベンゼンをはじめとしてトルエン，ニトロベンゼンな
どの単環芳香族化合物やビフェニル，ナフタレン，カル
バゾール，フェナントレンなど，複数の芳香環を持つ化合物には難分解性，変異原性を有する環境汚染物質が多く存在する。それらの芳香族化合物は微生物によって好気的に分解され得ることが知られており，芳香環への水酸化を初発反応とした分解代謝経路を経て TCA 回路に取り込まれ，微生物の炭素源・エネルギー源として利用される。芳香族化合物の初発水酸化反応に関しては，環境汚染物質分解を利用した環境浄化への応用を目的としてこれまでに詳細な研究がなされ，古くからその遺伝子学的・酵素学的解析がなされてきた。芳香環水酸化ジオ
キシゲナーゼは，微生物による芳香族化合物の初発酸化反応を触媒する酵素として多くの例が知られており，芳香環に対して分子状酸素由来の酸素原子を 2 つの水酸基の 形 で cis 型 に 導 入 す る 反 応 を 触 媒 す る こ と が で きる 1–3)。そのため，環境浄化のみでなく部位特異的・立体選択的な反応によるキラル化合物の物質生産への応用に向けた研究もなされている。また，基質・酵素の種類
によっては水酸基 1 つのみの導入（monooxygenation），
硫黄原子への水酸化（sulfoxydation），水酸基導入に伴う脱窒素化（denitrification）や脱メチル化（demethylation）を触媒できる例も報告されている（図 1）4–6)。芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの酸化酵素コンポーネント（後述）は Rieske［2Fe-2S］クラスターと呼ばれる酸化
還元中心と非ヘム鉄を補因子として持つため，Rieske
non-heme iron oxygenase（RO）， あ る い は 単 に Rieske
oxygenase と呼ばれている。芳香環水酸化ジオキシゲ

2012 年 10 月 31 日）

ナーゼは微生物のみならず，植物や動物も同類酵素を持
つことが知られており，自然界に広く分布することが示されている。例えば，植物ではクロロフィルの分解，動物では細胞死，分化，コレステロール代謝などの生体活動に極めて重要な機能を果たすことが知られている 7–10)。
1998 年に初めてナフタレンジオキシゲナーゼの酸化酵素コンポーネントの X 線結晶構造が報告されて以来 11)，X 線結晶構造解析による原子レベルでの反応メカ
ニズムが解析され，現在 Protein Data Bank に登録されている関連酵素は 70 を超えている（表 1）。これまでの
芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの研究例では，そのユ
ニークな水酸化反応のメカニズム解明を目的として精力的な研究が行われており，多くの知見が蓄積している。
さらに，反応に必須な電子の伝達メカニズムについて
も，結晶構造解析に基づいた詳細な考察がなされている例も報告されている。本稿では，芳香環水酸化ジオキシ
ゲナーゼについてこれまでに明らかにされてきた知見からその特徴と機能を概説すると共に，酸化反応に必須な電子伝達の分子（原子）レベルでのメカニズムについても紹介する。
2.

芳香環水酸化ジオキシゲナーゼのコンポーネントと分類

芳香環水酸化ジオキシゲナーゼは実際に酸素添加反応
を行う酸化酵素（terminal oxygenase）と電子伝達コン
ポーネントから構成される（図 2A）。電子伝達コンポー
ネントはレダクターゼ単独，あるいはレダクターゼとフェレドキシンから構成され，それら電子伝達コンポー

114

井上

他

トとしてフェレドキシンとレダクターゼの 2 つを持ち，レダクターゼが補因子として FAD のみをもつ場合はクラス II，FAD に加えて植物型［2Fe-2S］クラスターも持つものはクラス III に分類される。クラス II の芳香環
水酸化ジオキシゲナーゼのうちフェレドキシンがプチダ
レドキシン型，Rieske 型のものはそれぞれ IIA，IIB に分類される。これまでに報告されている芳香環水酸化ジ
オキシゲナーゼのうち，クラス IIB に分類される例は最も多く，最も研究が進んでいるビフェニルジオキシゲ
ナーゼもこの分類群に属する。また，上記のナフタレン
ジオキシゲナーゼはクラス III に分類される。
3.

図 1．芳香環水酸化ジオキシゲナーゼが触媒する酸素添加反応の例

ネントは NAD(P)H からの電子を酸化酵素に伝える。酸化酵素は電子伝達コンポーネントからの電子によって分子内に取り込んだ酸素分子を活性化することで基質との反応を触媒する。どの芳香環水酸化ジオキシゲナーゼにおいても酸化酵素は Rieske クラスターと非ヘム鉄を持
つことは共通する。しかし，電子伝達コンポーネントには多様性が存在するため，その数と種類に基づいて 5 種類に分類されている（表 2）12)。電子伝達コンポーネン
トとしてフェレドキシンを持たず，レダクターゼのみのものはクラス I に分類される。レダクターゼが持つ補因子として，FMN と植物型［2Fe-2S］クラスターを持つ
ものはクラス IA，FAD と植物型［2Fe-2S］クラスターを持つものはクラス IB に細分類され，どのレダクター
ゼも NAD(P)H 結合ドメインを有する。クラス I 以外の
芳香環水酸化ジオキシゲナーゼは電子伝達コンポーネン

酸化酵素の構造解析

芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの構造解析については，表 2 に示した各クラスの全てのコンポーネントは網羅できていないものの，相当数の立体構造が明らかになっている。特に，酸化酵素の X 線結晶構造解析は精力的に行われており，ナフタレンジオキシゲナーゼ，ビフェニルジオキシゲナーゼ，カルバゾールジオキシゲ
ナーゼをはじめとする多くの報告例がある（表 1）。これまで X 線結晶構造が決定された酸化酵素は全て α3 型，
もしくは α3β3 型のサブユニット構造を持つ。ナフタレ
ンジオキシゲナーゼやビフェニルジオキシゲナーゼをはじめとする多くの芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの酸化
酵素は α3β3 型をとり，マッシュルーム型の立体構造を持つ。Pseudomonas putida NCIB9816-4 株由来ナフタレ
ンジオキシゲナーゼにおいては高さ 75 Å，傘，柄の直径 は そ れ ぞ れ 102，50 Å の 分 子 サ イ ズ で あ る（ 図2B）11)。一方，α3 型の報告例は限られており，これまでにカルバゾールジオキシゲナーゼ，ジカンバモノオキシ
ゲナーゼ，2- オキソキノリン 8- モノオキシゲナーゼが報告されているのみで，それらの酸化酵素はドーナツ型
あるいはリング型と呼ばれる立体構造を持つことが明らかになっている（図 2A）。Janthinobacterium sp. J3 株由来カルバゾールジオキシゲナーゼは厚さ 45 Å，外径100 Å， 内 径 30 Å の サ イ ズ で， 酸 化 還 元 中 心 で あ る
Rieske クラスターと非ヘム鉄，及び，基質結合ポケットは全て α サブユニットに存在する 13)。α3β3 型の芳香環
水酸化ジオキシゲナーゼにおいて，β サブユニットは構造維持が主な役割と考えられているものの，Pandoraea
pnomenusa（ 以 前 は Commamonas testosteroni）B-356
株においては基質特異性にも影響を与えることが知られており，単にホロ酵素としての役割のみではないことを示した例であるといえる 14)。α サブユニットは大きく分
けて Rieske ドメインと触媒ドメイン二つに分けることができ，前者はフェレドキシンからの電子を受け取る
Rieske クラスターが含まれ，後者は Rieske クラスター
からの電子，酸素，基質が出会う場である基質ポケットを含みそこで酸素添加反応が触媒される 15)。酸化酵素の
三つの α サブユニットにおいて，一つのサブユニット
内の Rieske クラスター（Rieske ドメイン中の酸化還元
中心）は同じ分子内の活性中心（触媒ドメイン中の基質
ポケット内）よりも隣接するサブユニットの活性中心との距離の方が近く，Rieske クラスターからの電子は隣のサブユニットの活性中心へと伝達されると考えられてい115

芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの電子伝達におけるタンパク質間相互作用

表 1．芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの酸化酵素と電子伝達コンポーネント関連酵素の X 線結晶構造解析例とその PDB コード
複合体の場合は
その基質

酵素
酸化酵素
ナフタレンジオキシゲナーゼ
ナフタレンジオキシゲナーゼ
ナフタレンジオキシゲナーゼ
ナフタレンジオキシゲナーゼ（酸化型 Rieske クラスター）
ナフタレンジオキシゲナーゼ
ナフタレンジオキシゲナーゼ
ナフタレンジオキシゲナーゼ
ナフタレンジオキシゲナーゼ（還元型）
ナフタレンジオキシゲナーゼ
ナフタレンジオキシゲナーゼ
ナフタレンジオキシゲナーゼ
ナフタレンジオキシゲナーゼ
ナフタレンジオキシゲナーゼ
ナフタレンジオキシゲナーゼ
変異酵素 Phe352Val
ナフタレンジオキシゲナーゼ
変異酵素 Phe352Val
ナフタレンジオキシゲナーゼ
ナフタレンジオキシゲナーゼ
変異酵素 Phe352Val
ナフタレンジオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ
変異酵素 P4
ビフェニルジオキシゲナーゼ
変異酵素 P4
ビフェニルジオキシゲナーゼ
変異酵素 RR41
ビフェニルジオキシゲナーゼ
変異酵素 RR41
ビフェニルジオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ
カルバゾールジオキシゲナーゼ
カルバゾールジオキシゲナーゼ
カルバゾールジオキシゲナーゼ
ニトロベンゼンジオキシゲナーゼ
ニトロベンゼンジオキシゲナーゼ
ニトロベンゼンジオキシゲナーゼ
ジカンバモノオキシゲナーゼ
ジカンバモノオキシゲナーゼ
ジカンバモノオキシゲナーゼ
ジカンバモノオキシゲナーゼ
ジカンバモノオキシゲナーゼ
ジカンバモノオキシゲナーゼ

由来菌株 *

クラス PDB ID 参考文献

―
インドール
ナフタレン
―

Pseudomonas putida NCIB 9816-4
Pseudomonas putida NCIB 9816-4
Pseudomonas putida NCIB 9816-4
Pseudomonas putida NCIB 9816-4

III
III
III
III

1NDO
1EG9
1O7G
1O7H

O2
インドール & O2
ナフタレンジヒドロジオール―

Pseudomonas putida NCIB 9816-4
Pseudomonas putida NCIB 9816-4

III
III

1O7M
1O7N

31)

Pseudomonas putida NCIB 9816-4

III

1O7P

31)

Pseudomonas putida NCIB 9816-4

III

1O7W

31)

NO
NO & インドール―
インドール
フェナントレン―

Pseudomonas putida NCIB 9816-4
Pseudomonas putida NCIB 9816-4
Rhodococcus sp. NCIMB12038
Rhodococcus sp. NCIMB12038
Pseudomonas putida NCIB 9816-4
Pseudomonas putida NCIB 9816-4

III
III
III
III
III
III

1UUW
1UUV
2B1X
2B24
2HMK
2HMJ

32)

フェナントレン

Pseudomonas putida NCIB 9816-4

III

2HML

34)

アントラセン
アントラセン

Pseudomonas putida NCIB 9816-4
Pseudomonas putida NCIB 9816-4

III
III

2HMM
2HMN

34)

3- ニトロトルエン
―
ビフェニル
―
ビフェニル
―
ビフェニル
―

Pseudomonas putida NCIB 9816-4
Rhodococcus jostii RHA1
Rhodococcus jostii RHA1
Sphingobium yanoikuyae B1Sphingobium yanoikuyae B1
Burkholderia xenovorans LB400
Burkholderia xenovorans LB400
Burkholderia xenovorans LB400

III
IIB
IIB
IIB
IIB
IIB
IIB
IIB

2HMO
1ULI
1ULJ
2GBW
2GBX
2XR8
2XRX
2XSO

34)

2,6- ジクロロビフェニル Burkholderia xenovorans LB400

IIB

2XSH

37)

―

Burkholderia xenovorans LB400

IIB

2YFI

38)

ジベンゾフランBurkholderia xenovorans LB400

IIB

2YFJ

38)

―
ビフェニル
フェニルシクロヘキサ
ジエンジオール――――
ニトロベンゼン3- ニトロトルエン―
ジカンバ
コバルト＆ジカンバ
コバルト＆
3,6- ジクロロサリチル酸―
ジカンバ

Pandoraea pnomenusa B-356
Pandoraea pnomenusa B-356
Pandoraea pnomenusa B-356

IIB
IIB
IIB

3GZY
3GZX
3GZZ

―
―
―

Janthinobacterium sp. J3
Nocardioides aromaticivorans IC177
Novosphingobium sp. KA1
Comamonas sp. JS765
Comamonas sp. JS765
Comamonas sp. JS765
Stenotrophomonas maltophilia DI-6

1WW9
3GCF
3GKQ
2BMO
2BMQ
2BMR
3GTE
3GTS
3GB4
3GOB

13)

Stenotrophomonas maltophilia DI-6
Stenotrophomonas maltophilia DI-6
Stenotrophomonas maltophilia DI-6

III
IIB
IIA
III
III
III
IIA
IIA
IIA
IIA

Stenotrophomonas maltophilia DI-6
Stenotrophomonas maltophilia DI-6

IIA
IIA

3GKE
3GL2

11)
30)
31)
31)

31)

32)
33)
33)
34)
34)

34)

35)
35)
36)
36)
37)
37)
37)

39)

―
40)
40)
40)
41)
41)
41)
41)

22)
22)

116
ジカンバモノオキシゲナーゼ
2- オキソキノリンモノオキシゲナーゼ（酸化型）
2- オキソキノリンモノオキシゲナーゼ（還元型）
2- オキソキノリンモノオキシゲナーゼ（酸化型）
トルエンジオキシゲナーゼ
トルエンジオキシゲナーゼ（非ヘム鉄なし）
クメンジオキシゲナーゼ
多環芳香族炭化水素ジオキシゲナーゼ
フェレドキシンナフタレンジオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ（酸化型）
ビフェニルジオキシゲナーゼ（還元型）
カルバゾールジオキシゲナーゼ
カルバゾールジオキシゲナーゼ
トルエンジオキシゲナーゼ
レダクターゼ
フタル酸ジオキシゲナーゼ
安息香酸ジオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ井上他

3,6- ジクロロサリチル酸 Stenotrophomonas maltophilia DI-6
Pseudomonas putida 86
―

IIA
IB

3GL0
1Z01

22)
42)

―

Pseudomonas putida 86

IB

1Z02

42)

2- オキソキノリン

Pseudomonas putida 86

IB

1Z03

42)

―
―

Pseudomonas putida F1
Pseudomonas putida F1

IIB
IIB

3EN1
3EQQ

43)

O2
―

Pseudomonas fluorescens

IIB

1WQL

44)

Sphingomonas sp. CHY-1

IIB

2CKF

45)

―
―
―
―

Pseudomonas putida NCIB 9816-4
Burkholderia xenovorans LB400
Sphingobium yanoikuyae B1
Pseudomonas (Acidovorax) sp.
KKS102

III
IIB
IIB
IIB

2QPZ
1FQT
2I7F
2E4P

46)

―

Pseudomonas (Acidovorax) sp.
KKS102

IIB

2E4Q

27)

―
―
―

Pseudomonas resinovorans CA10
Nocardioides aromaticivorans IC177
Pseudomonas putida F1

III
IIB
IIB

1VCK
3GCE
3DQY

47)

―
―
―

Bulkholderia cepacia DB01
Acinetobacter baylyi ADP1
Pseudomonas (Acidovorax) sp.
KKS102
Pseudomonas (Acidovorax) sp.
KKS102
Pseudomonas (Acidovorax) sp.
KKS102

IA
IB
IIB

2PIA
1KRH
1D7Y

21)

IIB

1F3P

24)

IIB

2GR2,
2GR3,
2GQW

27)

43)

23)
36)
27)

39)
43)

48)
24)

ビフェニルジオキシゲナーゼ

NADH

ビフェニルジオキシゲナーゼ

―

（酸化型）
ビフェニルジオキシゲナーゼ―

Pseudomonas (Acidovorax) sp.
KKS102

IIB

2GR1,
2YVF

27)

（ハイドロキノン）
ビフェニルジオキシゲナーゼ―

Pseudomonas (Acidovorax) sp.
KKS102

IIB

2YVG

27)

（セミキノン）ビフェニルジオキシゲナーゼ

NAD+

Pseudomonas (Acidovorax) sp.
KKS102

IIB

2GR0

27)

―

Pseudomonas putida F1

IIB

3EF6

43)

―

Pseudomonas (Acidovorax) sp.
KKS102

IIB

2YVJ

27)

Janthinobacterium sp. J3 (Oxy)
Pseudomonas resinovorans CA10 (Fd)Janthinobacterium sp. J3 (Oxy)
Pseudomonas resinovorans CA10 (Fd)Janthinobacterium sp. J3 (Oxy)
Pseudomonas resinovorans CA10 (Fd)

III

2DE5

28)

III

2DE6

28)

III

2DE7

28)

Janthinobacterium sp. J3 (Oxy)
Pseudomonas resinovorans CA10 (Fd)Janthinobacterium sp. J3 (Oxy)
Pseudomonas resinovorans CA10 (Fd)Janthinobacterium sp. J3 (Oxy)
Pseudomonas resinovorans CA10 (Fd)

III

3VMG

49)

III

3VMH

49)

III

3VMI

49)

（再酸化型）
トルエンジオキシゲナーゼ
電子伝達複合体
ビフェニルジオキシゲナーゼ

レダクターゼとフェレドキシン
カルバゾールジオキシゲナーゼ―
フェレドキシンと酸化酵素
カルバゾールジオキシゲナーゼ―
フェレドキシンと酸化酵素（還元型）
カルバゾールジオキシゲナーゼ
カルバゾール
フェレドキシンと酸化酵素
カルバゾールジオキシゲナーゼ
カルバゾール
フェレドキシンと酸化酵素（還元型）
カルバゾールジオキシゲナーゼ
O2
フェレドキシンと酸化酵素（再酸化型）
カルバゾールジオキシゲナーゼ
カルバゾール＆ O2
フェレドキシンと酸化酵素* Oxy: 酸化酵素，Fd: フェレドキシン

芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの電子伝達におけるタンパク質間相互作用

117

図 2．芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの酸化酵素と電子伝達コンポーネント．（A）カルバゾールジオキシゲナーゼ（クラス III）のシ
ステム全体，（B) ナフタレンジオキシゲナーゼ（クラス III）の酸化酵素

表 2．電子伝達コンポーネントの特徴による
芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの分類 1)
クラス
IA
IB
IIA
IIB
III
a
b

酸化酵素
[2Fe-2S]R Fe2+
[2Fe-2S]R Fe2+
[2Fe-2S]R Fe2+
[2Fe-2S]R Fe2+
[2Fe-2S]R Fe2+

補欠分子族 aフェレドキシン̶̶[2Fe-2S]Pu[2Fe-2S]R[2Fe-2S]R

レダクターゼFMN [2Fe-2S]PFAD [2Fe-2S]P
FAD
FAD
FAD [2Fe-2S]P

Batie らの報告 12) に従った
[2Fe-2S]R：Rieske [2Fe-2S] クラスター，[2Fe:2S]P：植物型[2Fe-2S] クラスター，[2Fe:2S]Pu：プチダレドキシン型 [2Fe2S] クラスター

る。Rieske ドメインはドメイン構造そのものが古くから知られる光合成電子伝達系や呼吸鎖中の Rieske 鉄硫黄
タンパク質（Rieske iron-sulfur protein）と類似した構造を持つため 16,17)，酸化酵素の Rieske ドメインはそれら
Rieske 鉄硫黄タンパク質と共通の祖先を持つものと考えられる。触媒ドメインの基質ポケット中心部には非ヘム鉄を含む活性中心が位置し，酸素の配位と基質が結合できる空間が存在する。基質結合ポケットの内側表面には疎水性残基が配置されており，同様に疎水的な基質である芳香族化合物との疎水性相互作用によって適した位置
へ安定的な結合ができるような構造になっている。芳香
環水酸化ジオキシゲナーゼの種類によっては，基質の化
学構造に応じてその位置と向きをより厳密に制御できる仕組みを持つものがある。その一例であるカルバゾール

ジオキシゲナーゼでは，カルバゾール中のイミノ基（図1）と水素結合を形成する残基（J3 株では Gly178）が存在し，基質の向きを固定する役割を果たしていると考えられる 13)。芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの基質ポケッ
トの構造と基質特異性に関する研究は，構造レベルでその詳細が明らかにされており，その情報に基づいて，ポケットを構成するあるいは周辺に位置するアミノ酸残基への変異導入などを行って基質特異性の改変を行っている例も数多く報告されている 18–20)。これら基質特異性に関する研究は，芳香環水酸化ジオキシゲナーゼのユニー
クな特徴の解明だけでなく，物質生産へ有用な反応を触媒できる酵素を創出できる可能性も秘めているため，多くの研究者が興味をもつところである。
4.

電子伝達コンポーネントの構造解析

芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの電子伝達コンポーネントについては，酸化酵素ほど例は多くないものの，結晶構造解析の報告例が存在する（表 1）。上記，酸化酵
素の Rieske ドメインと Rieske 型フェレドキシンが非常によく似た立体構造を有することや，レダクターゼにおいてもやはりよく似た構造を持つタンパク質が高等生物を含めたあらゆる生物に保存され，呼吸鎖などの生命活動に必須な生理的機能を果たしていることが知られている。よって，芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの電子伝達
コンポーネントもそれらのタンパク質と進化的由来を共有するものと考えられる。
クラス I に属する芳香環水酸化ジオキシゲナーゼは

118

井上

レダクターゼのみを電子伝達コンポーネントとして持ち， そ の 立 体 構 造 と し て， ク ラ ス IA に 分 類 さ れ る
Burkholderia cepacia DB01 株由来フタル酸ジオキシゲ
ナーゼ 21)，及び，Acinetobacter baylyi ADP1 株由来安息
香酸ジオキシゲナーゼ 22) のレダクターゼコンポーネン
トが知られている。これらレダクターゼが持つ酸化還元
中心（FMN/FAD，植物型［2Fe-2S］クラスター）および NADH 結合ドメインはいずれも分子の中心部に位置
し，電子伝達の際の酸化酵素との接触部分もこの中心部であることが予想されるが，現在までのところ，酸化酵
素とレダクターゼが結合した複合体の状態での結晶構造は得られていないため，コンポーネント間の結合部位などの詳細については今後の研究成果を待たなければならない。
クラス II 及びクラス III に属する芳香環水酸化ジオキ
シゲナーゼはフェレドキシンとレダクターゼの二つの電子伝達コンポーネントを持ち，電子伝達コンポーネント
それぞれについて構造学的詳細が明らかにされている。
RO のフェレドキシンの結晶構造として最初に報告されたのが Burkholderia xenovorans LB400 株由来 BphF（クラス IIB）であり，矢じりのような形状で，Rieske クラスターが先端にむき出しになる形で存在することが明らかになった 23)。これまでに LB400 株由来 BphF を含めて 8 種のフェレドキシンの結晶構造が報告されており（表 1），いずれも BphF と類似した構造であった。しかし，Novosphingobium sp. KA1 株由来カルバゾールジオ
キシゲナーゼのフェレドキシンは，Rieske 型フェレドキ
シンではなく，プチダレドキシン型であり，矢じりの先端というよりは球状に近い形をしていた（Umeda et al.，
投稿準備中）。この形状の違いは酸化酵素あるいはレダ
クターゼとの相互作用に影響を与えるものと考えられる。
クラス II，III の芳香環水酸化ジオキシゲナーゼのレダク
ターゼのうち，結晶構造が初めて明らかになったのは，
クラス IIB の Pseudomonas（Acidovorax）sp. KKS102
株由来ビフェニルジオキシゲナーゼのレダクターゼ

他

BphA4 であり 24)，NADH との複合体構造も同時に報告さ れ た。 明 ら か に な っ た レ ダ ク タ ー ゼ の 構 造 は，Pseudomonas putida 由 来 P450cam（樟脳［camphor］のモノオキシゲナーゼ）のプチダレドキシンレダクター
ゼとよく似た構造をしており，グルタチオンレダクター
ゼファミリーと呼ばれる一連の還元酵素と同様の基本構造をとっていた。芳香環水酸化ジオキシゲナーゼでは，
その他にも Novosphingobium sp. KA1 株由来カルバゾー
ルジオキシゲナーゼ（クラス IIA）（Umeda et al.，投稿準備中），Pseudomonas putida F1 株由来トルエンジオ
キシゲナーゼ（クラス IIB），Janthinobacterium sp. J3
株由来カルバゾールジオキシゲナーゼ（クラス III）（未発表データ）のレダクターゼについて結晶構造が明らかにされている（表 1）。
5.

結晶構造からみたコンポーネント間電子伝達

芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの活性には酸化酵素への電子の供給が必要であり，その役割を担うのが電子伝
達コンポーネントである。コンポーネント間で電子の伝達が行われるために，それぞれのコンポーネントが持つ酸化還元中心の接近と結合，及び，酸化還元中心の酸化還元電位（表 3）が重要な因子となる。コンポーネント間の相互作用には，立体的障害なく結合でき，また，イオン結合，疎水結合，水素結合などの共有結合ではない
比較的弱い結合力で結合状態を形成する必要がある。なぜなら，酵素反応を繰り返すにあたり電子伝達コンポー
ネントは電子を渡した後に，再度他の分子より電子を受け取って還元されなければならず，そのためには結合と解離を繰り返す必要があるからである。酸化還元電位においては，一般的に低いものから高いものへ電子が伝達されるため，電子を受容する側は電子を供与する側よりも酸化還元電位が高い必要がある。芳香環水酸化ジオキ
シゲナーゼの各コンポーネントの酸化還元電位については，限られた数ではあるが報告されている例が存在する

表 3．芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの酸化還元電位（標準水素電極に換算した値）*

ハロベンゾエイトジオキシゲナーゼ
アントラニル酸ジオキシゲナーゼ
2- オキソキノリン -8- モノオキシゲ
ナーゼ
ダイオキシンジオキシゲナーゼ

Burkholderia cepacia 2CBS
Acinetobacter sp. ADP1
Pseudomonas putida 86

Red (mV[E0])−287 (FMNsq/hq)−174 (FMNox/sq)−174 ([2Fe-2S])
−200
報告なし
−180

Sphingomonas wittichii RW1

報告なし

ジカンバモノオキシゲナーゼ
ビフェニルジオキシゲナーゼ
ベンゼンジオキシゲナーゼ
カルバゾールジオキシゲナーゼ

Pseudomonas maltophilia DI-6
Burkholderia xenovorans LB400
Pseudomonas putida
Nocardioides aromaticivorans
IC177
Pseudomonas putid F1
Pseudomonas resinovorans
CA10
Pseudomonas sp. NCIB9816-4

報告なし
報告なし
報告なし
報告なし

−245,
−247
−171
−157
−155
−185

報告なし
報告なし

−109
−169

報告なし
報告なし

59)

報告なし

−150

報告なし

46)

クラス 酵素名IA フタル酸ジオキシゲナーゼ

IB

IIA

IIB

III

トルエンジオキシゲナーゼ
カルバゾールジオキシゲナーゼ
ナフタレンジオキシゲナーゼ

由来菌株
Pseudomonas cepacia* Red：レダクターゼ，Fd：フェレドキシン，Oxy：酸化酵素

Fd (mV[E0])̶

Oxy (mV[E0])−150, −220

文献

̶
報告なし
報告なし

−125
−86
−100

52)

報告なし

54, 55)

−21
報告なし
−112
報告なし

56)

50, 51)

53)
4)

57)
58)
39)

47)

芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの電子伝達におけるタンパク質間相互作用（表 3）。酵素によってある程度のばらつきはあるものの，概ね酸化酵素が電子伝達コンポーネントよりも高い傾向にある。表 3 に挙げたいずれの酵素においても酸化酵素の Rieske クラスターの酸化還元電位は，ミトコン
ドリア bc1 complex の Rieske クラスターや P450 と比較
して 100〜250 mV 程度低く，この傾向は芳香環水酸化
ジオキシゲナーゼに特徴的である。ちなみに，Rieske［2Fe-2S］クラスターの酸化還元電位を決める要因は酸化還元中心のリガンド（S，Fe 原子）への水素結合の数や pH などクラスターの電子状態に影響を受けることが知られている 25,26)。
現在までのところ，RO のコンポーネント間電子伝達について二つの異なるコンポーネント複合体の結晶構造が 得 ら れ た 例 は，Pseudomonas（Acidovorax）sp.
KKS102 株由来ビフェニルジオキシゲナーゼのレダク
ターゼ BphA4 とフェレドキシン BphA3 の複合体 27)，及び，Janthinobacterium sp. J3 株由来カルバゾールジオキ
シ ゲ ナ ー ゼ の 酸 化 酵 素 と Pseudomonas resinovorans
CA10 株由来カルバゾールジオキシゲナーゼのフェレド
キシンの複合体 28) の 2 つが報告されている。これらの複合体構造からは，それぞれのタンパク質の相互作用位
置，結合力についての情報に加え，結合による構造変化の詳細が明らかになった。
BphA4 と BphA3 の複合体構造では，BphA4 の中心部
分に BphA3 が疎水性相互作用（BphA4 の 4 つのトリプ
トファン残基，BphA3 の 2 つのプロリン残基），イオン
結合（BphA4 の負の電荷をもつ残基と BphA3 の正の電荷をもつ残基），及び，複数の水素結合により結合していた。また，その電子伝達経路については，BphA4 からの電子は BphA4 の Trp320 から BphA3 の His66（Rieske
ク ラ ス タ ー の リ ガ ン ド の 一 つ ） を 介 し て BphA3 のRieske クラスターへと伝えられることが示唆された。
BphA4，BphA3 それぞれ単独の結晶構造と比較すると，複合体では，BphA4 の NADH と C 末端側ドメインの回転，BphA3 の His66 側鎖のペプチド結合の回転などの違いが観察され，レダクターゼとフェレドキシンの結合によって部分的な構造変化が起こることが分かった。さらに，異なる酸化還元状態での構造を比較したところ，
BphA3，BphA4 共に酸化還元状態での構造変化が起こることが明らかとなり，これにより互いの結合状態の形
成のしやすさが制御されていることが示唆された。また，BphA4 の補因子である FAD は分子全体に渡りダイ
ナミックに構造変化をしていることも明らかになった。
もう一つの電子伝達複合体の結晶構造の例であるカル
バゾールジオキシゲナーゼでは，酸化酵素とフェレドキ
シンが結合時に形成する結合力についての詳細が明らかとなっている。カルバゾールジオキシゲナーゼの酸化酵
素は α3 型の四次構造をとり，3 量体では 3 か所のフェレドキシンとの結合部位を有する。そのため，得られた複合体構造においても 3 つのフェレドキシンが 3 量体の酸化酵素の結合した形で得られた（図 3）。フェレドキ
シンはその先端の Rieske クラスターの部分を接触面として酸化酵素の Rieske クラスターに向けて突き刺さるように結合していた。フェレドキシンと酸化酵素の結合部位は 4 カ所に渡り，合計で 4 対のイオン結合，3 つの疎水結合の他に複数の水素結合が観察された。また，上119

記レダクターゼとフェレドキシンの複合体と同様，レダ
クターゼ，フェレドキシンそれぞれ単独の結晶構造との比較により，複合体形成に伴った構造変化が明らかになった。フェレドキシンにおいては，Pro66〜Gly70 の間で大きな変化が認められ，中でも Phe67 ではその疎水性側鎖の方向が変化して酸化酵素との疎水結合を形成していた。一方，酸化酵素では Arg11，Glu353 の側鎖が移動してフェレドキシンの His68 の側鎖，主鎖と水素結合を形成していた。カルバゾールジオキシゲナーゼのフェレドキシン– 酸化酵素複合体については，フェレド
キシンの Rieske クラスターから酸化酵素の Rieske クラ
ス タ ー へ の 電 子 伝 達 経 路 が 予 想 さ れ て い る（ 図 3）。
フェレドキシンの Rieske クラスターのリガンドから酸化酵素のそれとは 12–13 Å の距離があるが，これはトンネル効果による電子移動が起こり得る範囲（14 Å：
溶媒中でのタンパク質）以内でもある 29)。

図 3．芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの電子伝達複合体（A:Acidovorax sp. KKS102 株由来ビフェニルジオキシゲナーゼのレダクターゼ - フェレドキシン複合体，B: Janthinobacterium sp. J3 株由来カルバゾールジオキシゲナーゼの酸化酵
素と Pseudomonas resinovorans CA10 株由来カルバゾール
ジオキシゲナーゼのフェレドキシンの複合体）と（C） カルバゾールジオキシゲナーゼにおけるフェレドキシン - 酸
化酵素間予想電子伝達経路．

120

井上

6.

おわりに

芳香族化合物を分解する細菌に関する研究から詳細が明らかになってきた芳香環水酸化ジオキシゲナーゼであったが，その報告例は年々増加し，遺伝的多様性のみ
ならず，機能的な多様性，生物種を超えて広く分布していることも報告されてきた。その機能のユニークさが基質特異性にあり，多くの研究者が基質認識機構や酵素の改変に注力するのは当然である。その一方で，活性に必要な還元力を供給するための電子伝達鎖についての研究となると，その報告例は比較的少ない。しかし，その進化的背景や生物普遍性を鑑みると，非常に興味深く，また，芳香環水酸化ジオキシゲナーゼの物質生産への応用を考えた場合，無視することはできないのは明白である。最近では，電子伝達コンポーネント同士を連結した
融合タンパク質の創生が試みられた例もあり（福光ら2012 年，農芸化学会大会），今後も，酸化酵素だけでなく電子伝達コンポーネントを含めた芳香環水酸化ジオキ
シゲナーゼの高機能化へ向けた研究は精力的に行われていくものと考えられる。
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