ヘム結合型酸素センサーキナーゼの酸素センシングとリン酸化シグナリングの分子機構

• Project/Area Number: 12147210
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 中村 寛夫 独立行政法人理化学研究所, 城生体金属科学研究室, 先任研究員 (80270594)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 城 宜嗣 独立行政法人理化学研究所, 城生体金属科学研究室, 主任研究員 (70183051)
• Project Period (FY): 2000 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥25,300,000 (Direct Cost: ¥25,300,000); Fiscal Year 2004: ¥6,300,000 (Direct Cost: ¥6,300,000); Fiscal Year 2003: ¥6,200,000 (Direct Cost: ¥6,200,000); Fiscal Year 2002: ¥6,400,000 (Direct Cost: ¥6,400,000); Fiscal Year 2001: ¥6,400,000 (Direct Cost: ¥6,400,000)
• Keywords: 酸素センサー / リン酸化 / ヘム / 二成分情報伝達系 / 酸素適応 / ヘム輸送 / 根粒菌 / 環境 / 遺伝子発現 / 2成分情報伝達系 / ヒスチジンキナーゼ / タンパク質リン酸化 / 酸素セレサー / 情報伝達系 / プロテインキナーゼ

Research Abstract

根粒菌のFixL・FixJタンパク質はそれぞれ二成分情報伝達系の酸素センサーヒスチジンキナーゼとレスポンスレギュレーターである。とりわけ、FixLはセンサードメインにヘムを含むユニークなセンサータンパク質であり、リガンドである酸素の結合/解離を分光学的に精密に扱えるという研究上の利点を持つ。我々はFixL・FixJ混合液中でATPを用いたリン酸化反応の前後でFixLの酸素親和性が低下することを発見し、さらに、ADPがFixLの酸素親和性を低下させるアロステリックエフェクターであることを突き止めた。ADPはATPと競合的にリン酸化触媒部位に結合すること、ATPの方がADPより強く結合することがわかった。これらの結果から、FixLホモダイマー中でATPを用いたリン酸化反応の際に生成したADPが交互にFixLサブユニットのリン酸化反応を促進する2気筒エンジンモデルを提案した。ADPによってリガンド親和性が変化するという発見は二成分情報伝達系研究において初めてである。ヒスチジンキナーゼは例外なくホモダイマーで機能していることから本モデルの普遍性が予想され、あらたなパラダイムを構築した。
また、細胞におけるヘムの重要性を考え、動物細胞におけるヘムの輸送を研究した。本研究では細胞への取込みを検出するために蛍光性類似体である亜鉛ポルフィリンを用い、蛍光顕微鏡で観察した。亜鉛ポルフィリンの取り込みには細胞種特異性、ヘムによる阻害、pH依然性、タンパク質修飾剤感受性などが認められ、特異的なヘム輸送体、もしくは受容体の存在が示唆された。

Research Products

• [Journal Article] ADP reduces the oxygen binding affinity of a sensory histidine kinase FixL : The possibility of an enhanced reciprocating kinase reaction. (2004)
  • Author(s): Hiro Nakamura, Hideyuki Kumita, Kiyohiro Imai, Tetsutaro Iizuka, Yoshitsugu Shiro
  • Journal Title: Proc.Natl.Acad.Sci. USA 101・9 Pages: 2742-2746
• [Journal Article] Role of Tyr28S at the dioxygen reduction site of cytochrome bo studied by stable isotope labeling and resonance Raman spectroscopy. (2004)
  • Author(s): Takeshi Uchida, Tatsushi Mogi, Hiro Nakamura, Teizo Kitagawa
  • Journal Title: J.Biol.Chem. 279・51 Pages: 53613-53620
• [Publications] Hiro Nakamura, Hideyuki Kumita, Kiyohiro Imai, Tetsutaro Iizuka, Yoshitsugu Shiro: "ADP reduces the oxygen binding affinity of a sensory histidine kinase FixL : The possibility of an enhanced reciprocating kinase reaction."Proc.Natl.Acad.Sci.USA. (In press). (2004)
• [Publications] Takaya, N., Kuwazaki, S., Adachi, Y., Suzuki, S., Kikuchi, T., Nakamura, H., Shiro, Y., Shoun, H.: "Hybrid Respiration in the Denitrifying Mitochondria of Fusarium oxysporum."J.Biochem.(Tokyo). 133・4. 461-465 (2003)
• [Publications] Satoru Akimoto, Atsunari Tanaka, Kayako Nakamura, Yoshitsugu Shiro, Hiro Nakamura: "O_2 specific regulation of the ferrous heme-based sensor kinase FixL from Sinorhizobium meliloti and its aberrant inactivation in the ferric form."Biochem.Biophys.Res.Commun.. 304. 136-142 (2003)
• [Publications] Ken Saito, Eiichi Ito, Kaito Hosono, Kayako Nakamura, Kiyohiro Imai, Tetsutaro Iizuka, Yoshitsugu Shiro, Hiro Nakamura: "The uncoupling of oxygen sensing, phosphorylation signaling and transcriptional activation in oxygen sensor FixL and FixJ mutants."Mol.Microbiol. 48. 373-383 (2003)
• [Publications] Hideyuki Kumita, Seiji Yamada, Hiro Nakamura, Yoshitsugu Shiro: "Chimeric sensory kinases containing O2 sensor domain of FixL and histidine kinase domain from thermophile."Biochim.Biophys.Acta. 1646. 136-144 (2003)
• [Publications] Saito, K., et al.: "The uncoupling of oxygen sensing, phosphorylation signaling and transcriptional activation in oxygen sensor FixL and FixJ mutants"Molecular Microbiology. (In press). (2003)
• [Publications] Kumita, H., et al.: "Chimeric sensory kinases containing O2 sensor domain of FixL and histidine kinase domain from thermophile"Biochimica et Biophysica Acta. (In press). (2003)
• [Publications] Hiro Nakamura, Ken Saito, Yoshitsugu Shiro: "Quantitative Measurement of Radioactive Phosphorylated Proteins in Wet Polyacrylamide Gels"Analytical Biochemistry. 294・2. 187-188 (2001)
• [Publications] 中村 寛夫, 城 宜嗣: "シグナル変換2成分系タンパク質"生物物理. 41・6. 295-298 (2001)
• [Publications] Miyatake H,Mukai M,Park SY,Adachi S,Tamura K,Nakamura H,Nakamura K.Tsuchiya T,Lizuka T,Shiro Y: "Sensory mechanism of oxygen sensor FixL from Rhizobuim meliloti : crystallographic, mutagenesis and resonance Raman spectroscopic studies."Journal of Molecular Biology. 301・2. 415-431 (2000)
• [Publications] Mukai M,Nakamura K,Nakamura H,Iizuka T,Shiro Y.: "Roles of Ile209 and Ile210 on the Heme Pocket Structure and Regulation of Histidine Kinase Activity of Oxygen Sensor FixL from Rhizobium meliloti."Biochemistry. 39・45. 13810-13816 (2000)
• [Publications] Endoh,H.,Kaneko,T.,Nakamura,H.,Doi,K.,Takahashi,E.: "Improved cardiac contractile functions in hypoxia-reoxygenation in rats treated with low concentration Co(2+)."American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 279・6. H2713-H2719 (2000)