Type Bコハク酸脱水素酵素の成熟化機構に関する研究

Sep 26, 2025: Research_Highlights

論文解説: グラム陽性細菌由来コハク酸脱水素酵素のフラビン化機構

–SDH自身のサブユニットがフラビン化を促進する?–

塩田　悠介、高坂　智之

発表のポイント

発表概要

コハク酸脱水素酵素（Succinate dehydrogenase: SDH）は、エネルギー生産や多様な代謝に関わる重要な酵素として知られており、ヒトから細菌まで、様々な環境に生息する生物が有しています。このSDHが機能するには、「フラビン化（flavinylation）」と呼ばれる補欠分子族「フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）」の共有結合が必要不可欠な事が、多くの先行研究によって明らかになっています。しかしながら、グラム陽性細菌が有するType B SDHのフラビン化の詳細な機構はこれまで明らかにされていませんでした。そこで本研究では、3種のグラム陽性細菌（Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, Pelotomaculum thermopropionicum）のSDHを大腸菌で異種発現させることで、Type B SDHのフラビン化を含む成熟化機構の解明に取り組みました。
大腸菌で3種のSDHを発現させたところ、FADが共有結合するフラボプロテインサブユニット単体ではFADは結合しませんでしたが、他のサブユニットと同時に発現させた場合にフラビン化が起こりました。さらに、精製酵素による in vitro 試験でも鉄硫黄サブユニットやフマル酸が存在すればフラビン化は促進されることが明らかになりました。つまり、グラム陽性細菌のType B SDHのフラビン化機構はこれまでに明らかとなっているSDHのものとは異なることが示唆されました。
本研究の成果は、SDHのフラビン化における新たな知見を提供し、微生物代謝工学や新たな生理機構の解明に貢献すると考えられます。

図1
図1. (A)異種発現させたコハク酸脱水素酵素のFAD結合比較 (B)異種発現させたSDHの酵素活性比較
(C)異種発現させた鉄硫黄サブユニットの鉄硫黄クラスター検出


発表内容

コハク酸脱水素酵素（SDH）は、TCA回路と電子伝達系の両方に関与し、エネルギー代謝をはじめとする様々な代謝に関わる重要な複合体酵素です。SDHは反応の中心となり、補欠分子族フラビンアデニンジヌクレオチド(FAD)が結合するフラボプロテインサブユニット、FADからの電子を伝達する鉄硫黄クラスターを持つ鉄硫黄サブユニット、膜と結合してキノン還元を行う膜結合サブユニットから構成されています。これらの構成サブユニットの数や基質の種類によってSDHはType AからType Fまでの6つに大きく分類されます。SDHの機能において特に重要なのが、フラボプロテインサブユニットへのFADの結合、すなわちフラビン化(flavinylation)であることは、多くの先行研究によって示されており、Type AやType C SDHにおいてはフラビン化機構が明らかにされてきました。しかしながら、私たちが研究対象としているグラム陽性細菌が持つType B SDHについては、これらの機構は明らかにされていませんでした。本研究では、いまだ明らかにされていないフラビン化機構を明らかにすることを目的に、大腸菌を宿主として異種発現を行い、in vivo と in vitro でフラビン化機構の再構築を試みました。
その結果、3種のグラム陽性細菌（Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, Pelotomaculum thermopropionicum）のSDHのフラボプロテインサブユニットを単独で大腸菌に発現させてもフラビン化は起こらず、他のサブユニットとの共発現がフラビン化に必要であることを明らかにしました(図1A)。さらに、in vitro でのフラビン化再構築実験によって、鉄硫黄サブユニットまたはフマル酸の存在がType B SDHのフラビン化を促進することを明らかにしました。また、大腸菌細胞内で機能したSDHは C. glutamicum のSDHのみであり、B. subtilis と P. thermopropionicum のSDHはFADが結合するものの、機能はしませんでした(図1B)。そして、精製タンパク質の分析により、この機能しない原因はSDH鉄硫黄サブユニットへの鉄硫黄クラスター挿入にあることを突き止めました(図1C)。
本研究で得た結果により、グラム陽性菌由来Type B SDHのフラビン化機構について、複合体の他のサブユニットやフマル酸が関与するという新たな知見を得ることができました。このSDHに関する知見は酵素及び代謝工学への応用が期待できます。また、私たちの研究成果が示すように、難培養微生物が持つ機能を解析するには異種細胞内や細胞外でその機構を再構築する手法が有効です。

論文情報

雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry
論文タイトル: Insight on flavinylation and functioning factor in Type B succinate dehydrogenase from Gram-positive bacteria
著者: Yusuke Shiota and Tomoyuki Kosaka
DOI: 10.1093/bbb/zbaf026

研究助成

本研究は、国立研究開発法人科学技術振興機構次世代研究者挑戦的研究プログラム（JPMJSP2111）、日本学術振興会科学研究費補助金（21K05343）および公益財団法人発酵研究所（LA-2023-018）の支援により実施されました。

用語解説

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