一酸化炭素センサーとして機能する転写調節因子CooAの構造と機能

• Project/Area Number: 12147203
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: National Institutes of Natural Sciences Okazaki Research Facilities (2004); Okazaki National Research Institutes (2002-2003); Japan Advanced Institute of Science and Technology (2000-2001)
• Principal Investigator: 青野 重利 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(岡崎共通研究施設), 岡崎統合バイオサイエンスセンター, 教授 (60183729)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中島 洋 岡崎国立共同研究機構, 分子科学研究所, 助手 (00283151)
• Project Period (FY): 2000 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥29,700,000 (Direct Cost: ¥29,700,000); Fiscal Year 2004: ¥7,400,000 (Direct Cost: ¥7,400,000); Fiscal Year 2003: ¥7,300,000 (Direct Cost: ¥7,300,000); Fiscal Year 2002: ¥7,500,000 (Direct Cost: ¥7,500,000); Fiscal Year 2001: ¥7,500,000 (Direct Cost: ¥7,500,000)
• Keywords: 一酸化炭素センサータンパク質 / 転写調節因子 / 酸素センサータンパク質 / ヘムタンパク質 / センサータンパク / DNA結合タンパク質 / ヘム / センタータンパク質 / X線吸収微細構造 / 一酸化炭素センサー / センサータンパク質

Research Abstract

本研究では、申請者らが新たに見い出した、好熱性一酸化炭素酸化細菌Carboxydothermus hydrogenoformans由来のCooAホモログの発現系を構築を行い、その精製条件の確立を行った。精製したCooAホモログの性質を検討するため、電子吸収スペクトル、共鳴ラマンスペクトル、NMRスペクトルの測定を行った。その結果、本CooAホモログ中に含まれるヘムは、酸化型、還元型、CO結合型のいずれの状態においても6配位、低スピン構造を取ることが分かった。また、酸化型、および還元型ではアミノ末端のアミノ基とHis82がヘムに軸配位していることを明らかにした。COが結合する際には、アミノ末端のアミノ基がヘムから解離し、かわりにCOがヘムに配位することも分かった。さらに電気化学的酸化還元滴定によりCooAホモログの酸化還元電位の測定を行った。その結果、本CooAホモログはこれまでのCooAと比べた場合、約500mVも正にシフトした酸化還元電位を示すことを明らかにした。この違いは、ヘムの配位構造の違いに起因していると考えられる。
酸素センサータンパク質HemATにより、エフェクター分子である酸素が選択的にセンシングされる分子機構を明らかにするため、部位特異的変異導入法を用い各種アミノ酸変異を導入した変異体を作成し、それらの共鳴ラマンスペクトルを測定した。その結果、ヘムの遠位側ポケットに存在するThr95ならびにTyr70が酸素の選択的センシング、ならびに酸素に対する親和性制御に重要な役割を果たしていることを明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Regulation of aldoxime dehydratase activity by redox-dependent change in the coordination structure of the aldoxime-heme complex (2005)
  • Author(s): Katsuaki Kobayashi
  • Journal Title: J.Biol.Chem. 280・7 Pages: 5486-5490
• [Journal Article] Spectroscopic and Redox Properties of a CooA Homologue from Carboxydothermus hydrogenoformans (2005)
  • Author(s): Sayaka Inagaki
  • Journal Title: J.Biol.Chem. 280・5 Pages: 3269-3274
• [Journal Article] Oxygen sensing mechanism of HemAT from B. Subtilis : A resonance Raman spectroscopic study (2004)
  • Author(s): Takehiro Ohta
  • Journal Title: J.Am.Chem.Soc. 126・46 Pages: 15000-15001
• [Journal Article] Activation mechanisms of transcriptinal regulator CooA revealed by small-angle X-ray scattering (2004)
  • Author(s): Syuji Akiyama
  • Journal Title: J.Mol.Biol. 341・3 Pages: 651-668
• [Publications] Shigetoshi Aono: "Biochemical and Biophysical Properities of the CO-sensing transcriptional Activator CooA"Acc.Chem.Res.. 36・11. 825-831 (2003)
• [Publications] 青野重利: "一酸化炭素センサーとして機能する転写調節因子CooAの構造と機能"Molecular Medicine. 40・2. 158-164 (2003)
• [Publications] Shigetoshi Aono: "Resonance Raman and Ligand Binding Analysis of the Oxygen-sensing Signal Transducer Protein HemAT from Bacillus subtilis"Methods in Enzymology. (印刷中). (2004)
• [Publications] Shigetoshi Aono: "Resonance Raman and ligand binding studies of the oxygen-sensing signal transducer protein HemAT from Bacillus subtilis"J.Biol.Chem.. 277・16. 13528-13538 (2002)
• [Publications] 青野重利: "一酸化炭素による遺伝子発現制御:COセンサーとして機能する転写調節因子CooAの構造と機能"化学と生物. 40・3. 206-210 (2002)
• [Publications] 青野重利: "微生物におけるCOの受容システム"医学のあゆみ. 201・8. 533-536 (2002)
• [Publications] 青野重利: "ヘムを活性中心とするセンサータンパク質の構造と機能"生物物理. 45・5. 230-235 (2002)
• [Publications] 青野重利: "一酸化炭素センサーとして機能する転写調節因子CooAの構造と機能"Molecular Medicine. 40・2. 158-164 (2003)
• [Publications] Hirohsi Nakajima: "Redox properties and coordination structure of the heme in the CO-sensing transcriptional activator, CooA"J. Biol. Chem.. 276・10. 7055-7061 (2001)
• [Publications] Katuhiko Yamamoto: "Binding of CO at the Pro^2 side is crucial for the activation of CO-sensing transcriptional activator CooA. ^1H NMR spectroscopic studies"J. Biol. Chem.. 276・15. 11473-11476 (2001)
• [Publications] Shigetoshi Aono: "Structure and function of the heme-based sensor proteins"RIKEN Review. 35・5. 98-101 (2001)
• [Publications] Hirohsi Nakajima: "Ligand-Switching Intermediates for the CO-Sensing Transcriptional Activator CooA Measured by Pulse Radiolysis"J. Biol. Chem.. 276・41. 37895-37899 (2001)
• [Publications] I.V.Rubtsov: "Conformational dynamics of transcriptional regulator CooA protein studied by subpicosecond mid-infrared vibrational spectroscopy"J. Am. Chem. Soc.. 123・41. 10056-10062 (2001)
• [Publications] Shigeichi Kumazaki: "Dissociation and recombination between ligands and heme in a CO-sensing transcriptional activator CooA"J.Biol.Chem.. 275(49). 38378-38383 (2000)
• [Publications] Shigetoshi Aono: "Transcriptional regulation of gene expression by metalloproteins"Progress in Reaction Kinetics and Mechanism. 25. 65-107 (2000)
• [Publications] Shigetoshi Aono: "CO sensing and regulation of gene expression by the transcriptional activator CooA"J.Inorg.Biochem.. 82. 51-56 (2000)
• [Publications] Hiroshi Nakajima: "Control of CooA activity by the mutation at the C-terminal end of the heme-binding domain"J.Inorg.Biochem.. 78. 63-68 (2000)
• [Publications] Takeshi Uchida: "Identification of histidine 77 as the axial heme ligand of carbonmonoxy CooA by picosecond time-resolved resonance Raman spectroscopy"Biochemistry. 39(42). 12747-12752 (2000)