〔生物工学会誌

第 92 巻

第 2 号 62–68．2014〕2013 年度 生物工学技術賞 受賞

新規フルクトシルペプチドオキシダーゼの開発とそれを用いた糖尿病診断法の構築
五味恵子 1*・廣川 浩三 3・一柳
荒井あゆみ 2・梶山 直樹 1

敦 1・Development of novel fructosyl peptide oxidases
and their applications for the clinical diagnosis for diabetes
Keiko Gomi1*, Kozo Hirokawa3, Atsushi Ichiyanagi1, Ayumi Arai2, andNaoki Kajiyama (1Research & Development Division; 2Intellectual Property
Department, Kikkoman Corporation, 399 Noda, Noda-shi, Chiba 278-0037;
3Edogawa Plant, Kikkoman Biochemifa Company, 376-2, Kamihanawa,Noda-shi, Chiba, 278-0033) Seibutsu-kogaku 92: 62–68, 2014.

血糖値は，いわゆる血液中のグルコース濃度であるが，はじめに直前の食事などに強く影響されるのに対し，ヘモグロビ

世界の糖尿病患者数は 2012 年現在で約 3 億 7100 万人，ンの E 鎖 N 末端のバリン残基に血中のグルコースが結合

さらに 2030 年には約 5 億 5180 万人に達するとも予想さした糖化ヘモグロビン（HbA1c）は過去 1 〜 2 か月の平れており，患者数の増加は世界的な社会問題ととらえら均血糖値を反映すると言われている．つまり，HbA1cれている．糖尿病は，初期の段階では症状は特に現れなを測定することにより，生体内の血糖状態を正確に把握いため，健康診断などの適切な検査により発見されないすることが可能であることから，糖尿病の診断および病限り見逃されてしまう．ところが，特に注意せずそのま態の把握や血糖コントロールに最適な指標として受け入

ま見逃すと慢性的に高血糖状態が続くことになり，過剰れられている．

な糖による「糖化」が引き起こされる．その結果，生体2008 年からメタボリックシンドローム対策として始内の組織がダメージを受け，網膜症，腎症，神経障害，まった特定健診・特定保健指導において，血糖検査項目血管障害などの重篤な合併症を引き起こす心配がある．

として血糖値と HbA1c が採用された．さらに 2010 年 7

失明，人工透析，血管障害による下肢切断といった合併

月には日本糖尿病学会による糖尿病診断基準（図 1）が症まで症状が進んでしまうと，患者の QOL は急激に低改定され，これまで補充的な位置づけで測定されてきた下し，高額の医療費負担の恐れがあることから，糖尿病

HbA1c をより積極的に診断に取り入れることが糖尿病の発症や合併症を予防することが，患者にとっても，社診断基準に定められている 3)．

会にとっても非常に重要であるといえる．また，近年，このように，糖尿病診断マーカーである HbA1c の測

アルツハイマー病や歯周病など，広範にわたる病態と糖定件数も増加の一途をたどっている．従来，HbA1c に尿病との関連性が報告されるようになり，糖尿病がさま関しては酵素測定法が存在せず，HPLC 法，免疫法などざまな病気の温床となっている可能性が示唆されてい．HPLC 法は正の他の方法により測定されていた（表 1）

る1,2)．これらより，糖尿病に関する検査・診断をタイミング良く行うことは非常に重要であるといえる．
* 著者紹介

1 キッコーマン株式会社 研究開発本部

確に測定可能であるが，専用カラムと専用測定機が必要である．一方，免疫法はラテックス凝集法を原理とする

E-mail: kgomi@mail.kikkoman.co.jp

2 キッコーマン株式会社 知的財産部，3 キッコーマンバイオケミファ株式会社 江戸川プラント

62

生物工学

第92巻

図 1．糖尿病診断基準（参考文献 3 より一部改変）．OGTT（経口糖負荷試験）：グルコースを経口負荷し，その後の糖処理能を調べる検査．HbA1c には，国際的に広く使用されている NGSP（National Glycohemoglobin Standardization Program）値と，日本で使用されてきた JDS（Japan Diabetes Society）値がある．国際標準化の流れの中で，JDS 値と NGSP 値の換算式（NGSP = 1.02 × JDS + 0.25）が確定され，NGSP 値で表記する方向で進んでいる．
表 1．血糖値と HbA1c
意味
血糖値

血中グルコース濃度
採血時の血糖値

HbA1c

糖化ヘモグロビンの割合
1 〜 2 か月の血糖値を反映

主な測定方法
酵素法

HPLC
免疫法
酵素法（報告）ものであり，多くのキットメーカーから自動分析装置対応の臨床検査用キットが発売されているが，自動分析装置のセル汚染の可能性があることが心配されていた．

HbA1c 測定をはじめとする，いわゆる臨床検査は検査センターや病院の検査室で行われることが多く，多量の検体を正確・迅速・簡便に測定するニーズが非常に高いといえる．HbA1c 検査についても，そのようなニーズ

図 2．プロテアーゼにより遊離する糖化ペプチドなど．HF-Lysは，代表例として示したものであり，ヘモグロビンの他のリジン残基，ヘモグロビン以外の血中タンパク質のリジン残基由来のものが想定される．

を備えた酵素測定法の開発が待望されていた．
筆者らは，HbA1c の酵素測定法開発を模索する中で，（図 2）4)，国際臨床化学連合（IFCC）による基準測定法

HbA1c をプロテアーゼで前処理することによりヘモグロビンの E 鎖 N 末端のバリン残基に血中のグルコースが結合したフルクトシルジペプチド（F-ValHis）が遊離してくることを見いだした．本稿では，F-ValHis に特異的に反応するフルクトシルペプチドオキシダーゼ（FPOX）

では，このフルクトシルヘキサぺプチドを LC/MS（またの発見と酵素測定法開発を中心として紹介する．

F-ValHis の遊離
HbA1c はエンドプロテイナーゼ Glu-C により E サブユニットの N 末端フルクトシルヘキサペプチド（F-ValHis-Leu-Thr-Pro-Glu）が遊離することがわかっており2014年 第2号

はキャピラリー電気泳動）で測定することが定められている．しかしながら，この基準測定法は非常に時間と手間がかかることから，医療現場においては前述のとおり，HPLC 法や免疫法による測定が日常的に行われている．
当初，筆者らは，社内にてすでに酵素を発見していたフルクトシルアミノ酸オキシダーゼ（FAOX）を用いた

HbA1c 測定法の構築を目指していた．FAOX は，フルクトシルアミノ酸，特に HbA1c の N 末端であるフルクトシルバリン（F-Val）に反応する Corynebacterium 由来の酵素であり，当時，すでにクローニングおよび大腸

63

菌発現を確認しており，酵素が自由に使える状況にあった 5–7)．FAOX は残念ながら HbA1c そのものや，フルクトシルヘキサペプチドにはまったく反応しないため，HbA1c やフルクトシルヘキサペプチドを各種プロテアーゼにより消化し，遊離してくる F-Val を測定することを試みたが，夾雑物から遊離する糖化アミノ酸や糖化ヘモグロビン E 鎖ではなく D 鎖末端から遊離する F-Valを測りこむ可能性があるなど，そのままでは臨床検査に使用するには特異性などの面で十分ではない可能性が示唆された．そこで，プロテアーゼ消化による反応産物の詳細な解析を行うことにより問題解決の糸口を見いだそうと各種機器分析を行った．
フルクトシルヘキサペプチドに対し，各種プロテアーゼを混和，反応させたのち，逆相カラムを用いた HPLCにより分析を行ったところ，F-ValHis に相当する位置

図 3．F-ValHis 検出用酵素（FPOX）のスクリーニングにピークが得られることがわかった．さらにアミノ酸分析およびマススペクトル解析を行ったところ Glu，Pro，すなわち，発色系で検出可能な酵素の生産能という観点

Thr，Leu が遊離する一方で，His 残基の遊離が観察でからスクリーニングを行った．具体的には，スクリーニきないことから，フルクトシルヘキサペプチドが，よりング対象の微生物を一つひとつ培養し，培養上清および短鎖の糖化ペプチドに分解されており，その大部分が菌体破砕液における当該酵素活性の有無を端から調べる

F-ValHis であることを確認した．分解の程度はプロテ．というきわめて実直な方法で行った（図 3）

アーゼの種類や反応条件によって大きく異なり，たとえ土壌由来微生物については，千葉県野田市周辺，茨城ば，モルシン（キッコーマン製アスペルギルス由来プロ

県筑波山周辺の土壌を採取し，F-ValHis を含む濃縮培テアーゼ）
ではF-ValHisのみのシグナルが観察されたが，地により土壌全体の微生物を培養することにより条件によっては，分解が十分進まない場合も存在した．

F-ValHis を資化する菌を分離し，スクリーニング効率さらに，HbA1c のプロテアーゼ消化物について逆相向上を狙った．土壌分離菌はバクテリア，酵母を中心とカラムを用いた HPLC により分析した結果，F-ValHis

して約 5000 株，保存菌株コレクションより酵母約 400 株，のシグナルを検出できたことから，F-ValHisに強く働き，糸状菌約 500 株，放線菌約 700 株など，約 7000 株の微発色などの検出系に持ち込める酵素さえあれば，酵素に生物を対象としてスクリーニングを行った．

よる HbA1c 測定系が構築可能となることが強く示唆された 8)．

結果として，糸状菌コレクションから F-ValHis に働．
くオキシダーゼ活性をもつ 19 株が選抜された（表 2）

以 上 よ り，HbA1c 酵 素 測 定 法 の 開 発 の 方 策 と し て

なお，スクリーニングで使用した目的酵素基質である

F-ValHis に特異的な酵素の開発を進めることとしたが，
1）自然界からF-ValHisに強く働く酵素を新たに探索する．
2）FAOX への変異導入により反応性を改良する．

F-ValHis を自社内で高純度に合成することに成功し，潤沢に用いることができたこともスクリーニング成功のという二つの方向性が考えられた．これら二つの方向性

スクリーニングの結果得られた糸状菌について，産生を模索する中，新たな微生物源から F-ValHis への反応

．いずれも菌体破する酵素の性状の評価を行った（表 2）要因の一つであったと考えている．

性が高い酵素活性を見いだすことができた．この発見を砕液に F-ValHis を基質とするオキシダーゼ活性が再確

もとに HbA1c 酵素測定法の事業化に向けた研究を進め認された．中でも F-ValHis に対するオキシダーゼ活性ることになった．次章にて，この F-ValHis への反応性の生産量が高いものとして Coniochaeta sp. NISL9330が高い酵素活性を見つけるに至った，フルクトシルペプが選抜された 9,10)．また，HbA1c 測定では，上述のとおチドオキシダーゼ（FPOX）の探索について述べる．

り，ヘモグロビンをプロテアーゼ消化することにより，FPOX の探索

E 鎖 N 末端バリンに由来する F-ValHis が遊離してくる．
ところが，それと同時に，反応条件によってはリジン酵素の探索は，土壌から新たに分離した微生物や保存の H 位のアミノ基が糖化された H フルクトシルリジン菌株コレクションに対し，F-ValHisに働く酸化還元酵素，．
（HF-Lys）が遊離してくることが示唆されていた（図 2）64

生物工学第92巻

表 2．産生される FPOX（菌体破砕液）の基質特異性
菌株

基質特異性（相対活性％）

F-ValHis

F-Gly

HF-LysAchaetomiella virescens ATCC 32393

10035141

Achaetomium globosum NISL9321

10056556

Achaetomium luteum ATCC18524

1001881250

Achaetomium luteum NISL9323

10047263

Achaetomium sp. NISL9327

10081385

Achaetomium sp. NISL9328

10055263

Achaetomium strumarium NISL9324

10081385

Achaetomium strumarium NISL9325

10057238

Achaetomium strumarium NISL9326

10040667

Chaetomium quatrangulatum NISL9329

1001881250

Chaetomium sp. NISL 9335

100

128145

Coniochaeta sp. NISL 9330

100

3961

Eupenicillium euglaucum IFO 31729

100

83

39

Eupenicillium idahoense IFO 9510

100

86

41

Eupenicillium senticosum IFO 9158

100

83

31

Eupenicillium terrenum ATCC 18547

100

182

10

Gelasinospora pseudoreticulata NISL 9332

100

82588

Microascus sp. NISL9333

100

137

370

Thielavia novoquineensis NISL9334

100

59588

（参考文献 9 より改変）

Eupenicillium 属に属する菌が産生する酵素は，F-ValHisに働くが HF-Lys への反応性が低いことが窺えたため，
F-ValHis への基質特異性が優れたものとして HF-Lys への反応性が一番低い Eupenicillium terrenum ATCC 18547

ミノ酸配列およびトリプシン消化内部アミノ酸配列の解が選抜された．

り全長の cDNA を得ることができた．得られた cDNAFPOX のクローニング

析を行った．得られたアミノ酸配列情報から，縮重プライマーを設計し，RT-PCR による部分 cDNA 配列を得た．
さらに 3’RACE，5’RACE などのクローニング手法によ配列から予想された一次アミノ酸配列について Blast 検索を行うと，Penicillium や Aspergillus 由来フルクトシ

産生される酵素の性状を確かめるために，スクリーニルアミノ酸オキシダーゼが上位に選択され，相同性はングで選抜された菌株より酵素単離を行った．二つの菌株を酵素生産培地で培養して得られた菌体について，フ75％程度であった．また，今回クローニングした二つの由来の異なる糸状菌より得られた cDNA から予想さレンチプレスを用いて菌体破砕を行った．その遠心上清れた一次アミノ酸配列は，配列全体にわたって相同性がから硫安沈殿，イオン交換クロマトグラフィー，疎水カ高かったことから，これらは同じグループに含まれる一ラムクロマトグラフィー，ゲル濾過などの分画操作を経群の酵素であると考えられた．て，SDS-PAGE 上でほぼ単一となるまで精製すること

次にこれら両酵素の大腸菌による異種発現を試み，活に成功した 9,10)．得られた酵素は，いずれも SDS-PAGE性を持った形で発現に成功した．大腸菌で発現された酵上で 50 kDa ほどの大きさのモノマーであり，菌体破砕液素は，両者とも求める F-ValHis を基質とするオキシダーで検出した基質特異性をほぼ再現することを確認できた．

ゼ活性を持っていることが確認された．本酵素活性は，酵素生産株から精製した酵素は，エドマン分解法に基これまでに報告がない新規な酵素活性であったため，フづくプロテインシークエンサーを用いてそれぞれ N 末アルクトシルペプチドオキシダーゼ（FPOX）と名づけた

2014年 第2号65

図 4．フルクトシルペプチドオキシダーゼ（FPOX）の反応機構．FPOX は糖化ジペプチド（F-ValHis）を脱糖化し，H2O2 を生成する酵素である．

（図 4）9,11)．さらに，FPOX はフルクトシルヘキサペプチ

表 3．FPOX-CE，FPOX-EE の性質比較

FPOX-CE

ドのプロテアーゼ消化物を基質として過酸化水素を産生することから，HbA1c 酵素測定法に用いる酵素として使用可能であることが示唆された．

FPOX-EE

Coniochaeta sp. Eupenicillium terrenum
NISL 9330
ATCC 18547

由来

表 3 に二つの組換え酵素の性状を示した．酵素の各種性質を比較すると，FPOX-CE と FPOX-EE はおおよそ分子量（ゲルろ過）

52,00050,000同じであると言えるが，両者の大きな違いは，スクリー

アミノ酸数437

437

ニングの項で記述したように，基質特異性の違いにある

構造

モノマー

モノマーKm（F-ValHis）

3.4 mM

2.8 mM

F-ValHis

100％100％

HF-Lys84％

わずかに働く温度安定性

45°C 以下

40°C 以下

至適温度35–42°C

30–45°C

pH 安定性

6.0–9.5

5.5–9.0

至適 pH

7.5–8.0

7.0–8.0といえる．アミノ酸配列を比較すると，前述のとおり，全体にわたって相同性が高いにも関わらず，HF-Lys への反応性において大きく異なることがわかった．
二つのポリペプチド鎖に共通して，N 末端付近にはFAD 結合モチーフ（GxGxxG）が予想どおり含まれた．
さらに，相同性が 30％程度であるが全長にわたって比較的相同性の高い既知配列である Amadriase I との配列比較の結果，FAD と共有結合していることが示されていた Cys342 が二つの遺伝子にも存在することが確認された 12)．これらの酵素はいずれも糸状菌由来の酵素ではあったが，大腸菌にて十分活性を持った形で発現可能であったことから，糖鎖付加がないか，もしくは活性に糖鎖が関与しないことが示唆された．
現在，二つの酵素のアミノ酸配列をクエリーとして基質特異性

基質特異性は F-ValHis への反応を 100％としたときの相対値（キッコーマンバイオケミファ株式会社 酵素カタログより改変）．

Blast 検索を行うと，FAOX，FAOD などのフルクトシルアミノ酸オキシダーゼや我々の研究の後に発見されたして十分な量の酵素が得られるようになったことから，他の微生物由来の FPOX 配列が，糸状菌を中心としてHbA1c 測定キット開発に向けた事業化がスピードアッ

細菌，酵母からもピックアップされることから，糖化アプすることとなった．

ミノ酸，糖化ペプチドに働く酵素が広く微生物界に存在することが示唆される．

FPOX を用いた HbA1c 測定法の確立
大量に組換え発現した FPOX を用いた HbA1c 測定法

Coniochaeta 由来 FPOX-CE，Eupenicillium 由来 FPOXEE はそれぞれ弊社オリジナルのファージ系大腸菌生産の確立のため，プロテアーゼを組み合わせた反応を確認システム「スリーパーベクターシステム」にて大量発現することにした．まずはモデル系としてフルクトシルヘに成功した．
「スリーパーベクターシステム」は，IPTGキサペプチドに対しプロテアーゼ各種を反応させた後，のような化学物質ではなく，熱誘導により酵素生産を行量発現した酵素を用いた種々の精製スキーム検討を経

FPOX および発色試薬による検出を試みたところ，フルクトシルアミノ酸のみに働く FAOX では全く発色しないのに対し，フルクトシルジペプチドに働く FPOX でて，工業スケールでの酵素生産に成功した．このようには顕著に発色が観察されたことから，麹菌や酵母，バチうことを特徴とする

66

13)

．組換え大腸菌の培養最適化，大生物工学

第92巻

異箇所の解析を行ったところ，R94K，G184D，F265L，ルスなどから産生されるプロテアーゼが効率的に
14)

F-ValHis を遊離させることを確認した ．
さらに，HbA1c を基質としてプロテアーゼ反応を行った後，同様に FPOX およびパーオキシダーゼによる発色反応を行った結果，HbA1c 濃度に従って発色が増大したことから，新たに発見した FPOX を用いて HbA1c

N272D，H302R，H388Y が熱安定性向上に効果をもたらす変異として同定された．変異箇所の多重化および組合せ最適化により，野生型酵素では 5％以下の残存活性となる条件の熱処理（50°C，60 分）でもまったく活性を失わない，熱安定性が向上した変異体を作製することができた（表 4）15,16)．

が測定できることが確認された．このようにして確立した FPOX を用いた酵素測定法の概略を図 5 に示した．

これらの変異体は，熱安定性のみならず，プロテアー．これは，ゼに対する安定性も著しく向上していた（図 6）

FPOX の改良

FPOX を使用した HbA1c 測定キットにおいてその測定FPOX の安定性をさらに高めることにより，酵素生産効率の向上や FPOX を使用した測定キットの品質保持スキーム上，プロテアーゼ処方が必須であることを考え期間の延長，流通の簡便化，さらにはセンサー用途でのあると考えられた．

ると，今後のキット開発において意義がある性質向上で応用の可能性が広がると考えられた．そこで，FPOXCE 遺伝子を鋳型に in vivo での遺伝子への変異導入とメFPOX の立体構造ンブレンアッセイとを組み合わせたスクリーニングを複FPOX の実用化が進むにつれ，タンパク質立体構造情数回繰り返すことによって指向進化による耐熱性向上型

報の解析を進めることにより，新たな酵素機能改変の手酵素の取得を試みた．

掛かりが得られると考えられた．京都大学との共同研究

変異導入はランダムな突然変異を引き起こす大腸菌による解析の結果，基質特異性の異なる 2 種類の FPOX，XL1-red を用いて行い，得られた全コロニーからプラスミドを回収し，大腸菌 JM109 を形質転換したものをスクリーニング対象とした．得られたコロニーをナイロン

Coniochaeta sp. NISL9330 由来 FPOX-CE，Eupenicillium
terrenum ATCC 18547 由来 FPOX-EE のそれぞれ耐熱型酵素のタンパク質結晶構造の解明に成功した（図 7）17)．

メンブレンに転写し，メンブレンを 48°C で熱処理した結晶化はシッティングドロップ蒸気拡散法により行後に，活性測定試薬に浸漬し，コロニー部分が発色したクローンを選抜した．スクリーニングのラウンドを重ねるごとに熱処理の温度や時間を長くすることで指向進化の選択圧を高めた．その結果得られた変異候補株について，2 ml 規模の液体培養により耐熱性を再確認し，変図 6．熱安定性 FPOX のプロテアーゼ耐性．中性プロテアーゼ
共存下で 30 分放置後の FPOX 残存活性（参考文献 16 より改変）．

図 5．FPOX を用いた HbA1c 測定概略図

表 4．熱安定性変異 FPOXFPOX 変異体

変異残存活性（％）̶3.9

FPOX-CEFPOX-CE-T7

N272D, H302R, H388Y

83.3

FPOX-CE-T8

F265L, N272D, H302R, H388Y

102.4

FPOX-CE-T9

G184D, F265L, N272D, H302R, H388Y

108.1

FPOX-CE-T10

R94K, G184D, F265L, N272D, H302R, H388Y

105.7

残存活性；pH 8，50°C，30 分処理後の活性（参考文献 16 より改変）

2014年 第2号

67

販売されており，本酵素を用いた HbA1c 測定キットがキットメーカー数社より販売中である．FPOX を用いた

HbA1c 酵素測定法のシェアは徐々に拡大しており，日本生まれの酵素測定法が海外をも席巻できる可能性は十分あると考えている．正確・迅速・簡便な酵素測定法がさらに市場を伸ばし，糖尿病診断や病態コントロールに今後も役立つことを期待している．
謝辞

タンパク質結晶構造解析については，京都大学薬学研究科
薬科学専攻構造生物薬学分野 加藤博章教授，中津亨准教授の熱いご指導を受けましたことを感謝いたします．生物工学
技術賞応募に際し，日本生物工学会理事の先生方からご推薦いただきました．この場を借りて心より御礼申し上げます．

文
図 7．Coniochaeta sp. NISL9330 由来 FPOX-CE の耐熱型酵素の立体構造

い， 沈 殿 剤 と し て K2HPO4，NaH2PO4，PEG400 を 用
いて 20°C でインキュベートすることにより FPOX の結晶が得られた．結晶の回折データは大型放射光施設

SPring-8 を利用してそれぞれ 1.8 Å，1.6 Å の分解能まで収集した．初期位相は Amadoriase II の結晶構造を利用した分子置換法により決定し，FPOX の分子モデルの構築および精密化を行うことができた．
このように，タンパク質結晶の構造が明らかになったことで，活性中心近傍へのアミノ酸置換による変異導入手法により，基質特異性や反応性に関する機能改変のアプローチが取れるようになった．構造情報からだけでは機能改良の確実な予測はできないが，改良目的に応じて変異箇所が絞られることにより，効率的な酵素機能改良が可能になったことは特記に値する．構造解析結果を活用して，基質特異性向上型変異体，熱安定性がさらに向上した変異体，また，次世代測定に向けた各種変異体の取得にもすでに成功しており，今後の実用化において応用の幅を広げるような活躍が期待できると考えている．
おわりに
筆者らは，HbA1c からプロテアーゼ消化により遊離する糖化ジペプチド検出を特徴とする新規測定法を世界で初めて構築した．また，新規測定法に使用する新規酵
素 FPOX を自然界から発見し，工場規模での遺伝子組換え生産に成功したことにより，世界初となる HbA1c酵素測定法の実用化を達成した．現在，FPOX とその変異体酵素のシリーズはグループ会社であるキッコーマン

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バイオケミファ株式会社から臨床診断用酵素として製造

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生物工学

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