植物におけるエチレンガス感知機構の構造生物学的研究

• Project/Area Number: 15J09304
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Applied biochemistry
• Research Institution: Ibaraki University (2016-2017); Institute of Physical and Chemical Research (2015)
• Principal Investigator: 北西 健一 茨城大学, 理工学研究科, 特別研究員(PD) (90815482)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: ヘム / 鉄 / 酸素 / センサー / ヒスチジンキナーゼ / エチレン / 膜タンパク質

Outline of Annual Research Achievements

微生物の酸素センシングの分子機構を解明するために、自身で同定した酸素の結合や酸化還元によって制御される新たなセンサータンパク質の構造と機能相関に関する研究を行った。特に、センサードメインであるグロビンやヘムエリスリンドメインの結晶化及び、高分解能での構造決定に成功した。ヘムエリスリンをセンサードメインとして持つセンサーヒスチジンキナーゼに関しては、昨年度に引き続き、ヘムエリスドメインの結晶化スクリーニングを行った。N末端を削ることによってヘムエリスドメインの結晶化に成功し、1.5 Åの分解能で結晶構造を決定することができた。酸素の結合部位及び酸化還元中心と考えられる鉄二核中心には、2個の鉄の間に酸素原子が架橋しており、一方の鉄には塩化物イオンが配位していた。次の目標として、鉄の酸化還元状態でどのような構造変化が起こるのかを原子レベルで明らかにする必要がある。また、グロビンドメインをセンサードメインとして持つセンサーヒスチジンキナーゼに関しては、結晶化スクリーニングの結果、ヘムFe(III)にイミダゾールが結合した結晶化条件を見つけることができた。また、結晶を還元剤溶液へソーキングし、酸素結合(Fe(II)-O2)型、及び還元型(Fe(II))の構造を決定した。その結果、生化学や分光学的な実験結果から示唆されていたヘム遠位にあるTyrが酸素と直接水素結合していることが明らかとなった。このTyrは、Fe(II)型、イミダゾール結合型ではヘムと離れる方向に配座しており、酸素結合に伴う構造変化により、シグナルをヒスチジンキナーゼドメインに伝播させる役割をしていることが示唆される。これらの結果より、微生物の酸素センシングの分子機構について原子レベルでの議論が可能となった。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Cofactor editing by the G-protein metallochaperone domain regulates the radical B12 enzyme IcmF (2017)
  • Author(s): Zhu Li, Kenichi Kitanishi, Umar T. Twahir, Valentin Cracan, Derrell Chapman, Kurt Warncke, Ruma Banerjee
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 292 Issue: 10 Pages: 3977-3987
  • DOI: 10.1074/jbc.m117.775957
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Engineered and native coenzyme B12-dependent isovaleryl-CoA/pivalyl-CoA mutase (2015)
  • Author(s): Kenichi Kitanishi, Valentin Cracan, Ruma Banerjee
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 290 Issue: 33 Pages: 20466-20476
  • DOI: 10.1074/jbc.m115.646299
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Kinetic analysis of a globin-coupled histidine kinase, AfGcHK: Effects of the heme iron complex, response regulator and metal cations on autophosphorylation activity (2015)
  • Author(s): Veronika Fojtikova, Martin Stranava, Marten H. Vos, Ursula Liebl, Jakub Hranicek, Kenichi Kitanishi, Toru Shimizu, Marketa Martinkova
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 54 Issue: 32 Pages: 5017-5029
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.5b00517
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Probing the ligand recognition and discrimination environment of the globin-coupled oxygen sensor protein YddV by FTIR and time-resolved step-scan FTIR spectroscopy (2015)
  • Author(s): Andrea Pavlou, Marketa Martinkova, Toru Shimizu, Kenichi Kitanishi, Martin Stranava, Eftychia Pinakoulaki
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 17 Issue: 26 Pages: 17007-17015
  • DOI: 10.1039/c5cp01708d
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel Redox Sensing Two-component System in Iron-oxidizing Bacteria (2018)
  • Author(s): Kenichi Kitanishi, Masaki Unno
  • Organizer: Gordon Research Conference- Sensory Transduction in Microorganisms
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 酸素センサーキナーゼのグロビンドメインの構造解析 (2018)
  • Author(s): 北西健一、海野昌喜
  • Organizer: 2017年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] Ca2+/Zn2+結合型ヒトS100A3蛋白質四量体構造の解明に向けた研究 (2018)
  • Author(s): 井手賢司、木澤謙司、北西健一、海野昌喜
  • Organizer: 2017年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] Ca2+/Zn2+結合型ヒトS100A3蛋白質四量体のX線結晶構造解析に向けての研究 (2017)
  • Author(s): 井手賢司、木澤謙司、北西健一、海野昌喜
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Ca2+/Zn2+結合型ヒトS100A3蛋白質のX線結晶構造解析に向けた変異体の選択 (2017)
  • Author(s): 井手賢司、木澤謙司、北西健一、海野昌喜
  • Organizer: 第28回日本化学会関東支部茨城地区研究交流会
• [Presentation] 酸化還元で制御される新しい二成分情報伝達系の同定 (2017)
  • Author(s): 北西健一、海野昌喜
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会(ConBio2017)
• [Presentation] 新規酸素センサーヒスチジンキナーゼの同定と活性調節機構 (2016)
  • Author(s): 北西健一
  • Organizer: 第89回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター/東北大学川内北キャンパス（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-09-25
  • Invited
• [Presentation] 緑膿菌での組換え体発現系を利用した一酸化窒素還元酵素-亜硝酸還元酵素複合体の機能解析 (2016)
  • Author(s): 細川寛大、北西健一、山際来佳、新井博之、當舎武彦、城宜嗣
  • Organizer: 第89回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター/東北大学川内北キャンパス（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-09-25
• [Presentation] Identification and characterization of a novel adenosylcobalamin-dependent isomerase (2015)
  • Author(s): 北西健一、Ruma Banerjee
  • Organizer: BMB2015 (第38回日本分子生物学会年会、第88回日本生化学大会 合同大会)
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド (神戸ポートピアホテル、神戸国際会議場、神戸国際展示場、神戸商工会議所) (兵庫県・神戸市)
  • Year and Date: 2015-12-01