Experimental Investigation of structural protein dynamics for metalloenzyme functions

• Project/Area Number: 17K01947
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Biomolecular chemistry
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: Matsuo Takashi 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (50432521)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 金属酵素 / 構造柔軟性 / タンパク質 / サブチリシン / 金属配位 / 補助配位子 / 動的構造効果 / 銅錯体 / H/D交換

Outline of Final Research Achievements

This project focused on the correlation between the reactivities of a metal ion bound to a protein and the protein structural dynamics using thiol-subtilisin as a model protein. The reactivities of Cu(II) ion coordinated by Cys221 residues in the protein was found to be regulated by the calcium ion binding status far from the Cu(II) coordination site. The effect can be interpreted in term of the effect of structural flexibility of the host protein. It was proved that the increased molecular freedom of proteins is a determinant of the characteristics of metal ions bound to the proteins.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、タンパク質という生体高分子の分子自由度が、遷移金属イオンの反応性を決める要因であり、金属酵素の理解には、金属配位部位近傍の構造的要因のみだけでなく、タンパク質全体の構造効果を加味する必要性を実験的に証明したものである。分子量数万の金属含有酵素の機能は、「小さな」遷移金属イオン上で発揮される。したがって、本研究で得られた知見は、「小さな金属イオンの性質をコントロールするのに、なぜ、大きなタンパク質構造が必要か？」という構造生物学の根本的な疑問に１つの答えを与えるものであり、今後、タンパク質工学的に金属含有酵素の機能を制御する際の新しいアプローチを提案するものである。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Jadavpur University(インド)
• [Journal Article] Second-coordination sphere effects on the reactivities of Hoveyda-Grubbs-type catalysts: a ligand exchange study using phenolic moiety-functionalized ligands (2020)
  • Author(s): Jatmika Catur、Goshima Kenta、Wakabayashi Kazumo、Akiyama Naoki、Hirota Shun、Matsuo Takashi
  • Journal Title: Dalton Transactions Volume: 49 Issue: 33 Pages: 11618-11627
  • DOI: 10.1039/d0dt02353a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Porphyrin-based Probe for Simultaneous Detection of Interface Acidity and Polarity during Lipid Phase Transition of Vesicles. (2020)
  • Author(s): Rini Majumder, Snigdha Roy, Kentaro Okamoto, Satoshi Nagao, Takashi Matsuo, Partha Pratim Parui
  • Journal Title: Langmuir Volume: 36 Issue: 1 Pages: 426-434
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b02781
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Regioselective Chemical Modification of Cysteine Residues on Protein Surfaces Focusing on Local Environment around the Conjugation Sites (2020)
  • Author(s): Teruyuki Miyake, Ryosei Tamaki, Moeko Asanuma, Yoji Fukada, Shun Hirota, Takashi Matsuo
  • Journal Title: Bioconjugate Chem. Volume: 31 Issue: 3 Pages: 794-802
  • DOI: 10.1021/acs.bioconjchem.9b00869
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recent Developmetns on Creation of Artificial Metalloenzymes. (2019)
  • Author(s): Takashi Matsuo, Teruyuki, Miyake, Shun Hirota
  • Journal Title: Tetrahedron Lett. Volume: 60 Issue: 45 Pages: 151226-151226
  • DOI: 10.1016/j.tetlet.2019.151226
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Global Structural Flexibility of Metalloproteins Regulates Reactivity of Transition Metal Ion in the Protein Core: An Experimental Study Using Thiol-subtilisin as a Model Protein (2018)
  • Author(s): Matsuo Takashi、Kono Takamasa、Shobu Isamu、Ishida Masaya、Gonda Katsuya、Hirota Shun
  • Journal Title: Chem. Eur. J. Volume: 24 Issue: 11 Pages: 2767-2775
  • DOI: 10.1002/chem.201705920
  • Peer Reviewed
• [Presentation] タンパク質表面システイン残基の化学修飾に対する局所的構造効果の検証 (2021)
  • Author(s): 玉置椋星、三宅輝幸、廣田俊、松尾貴史
  • Organizer: 日本化学会第101春季大会
• [Presentation] Hoveyda-Grubbs型錯体の構造修飾 (1)：第二配位圏効果による錯体の安定性および触媒活性制御 (2021)
  • Author(s): 秋山 直生、Catur Jatmika、五嶋 健太、廣田 俊、松尾 貴史
  • Organizer: 日本化学会第101春季大会
• [Presentation] Hoveyda-Grubbs型錯体の構造修飾 (2)：生体分子への固定化反応の適用 (2021)
  • Author(s): 中村 伊武輝、Catur Jatmika、秋山 直生、廣田 俊、山口 浩靖、松尾 貴史
  • Organizer: 日本化学会第101春季大会
• [Presentation] アデニル酸キナーゼ三変異体(A55C/C77S/V169C)の表面システイン残基の反応性に対する局所的構造要因の検証 (2020)
  • Author(s): 玉置椋星、三宅輝幸、浅沼萌子、松尾貴史、廣田俊
  • Organizer: 日本化学会第100春季大会
• [Presentation] Sequential Conjugation of Different Molecules onto Protein Surface and Comparison of Reactivities of Cysteine Residues (2019)
  • Author(s): Teruyuki Miyake, Yoji Fukada, Shun Hirota, Takashi Matsuo
  • Organizer: 15th International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry (ISABC15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヘム鉄の軸配位子としてイミダゾールをもつミオグロビンの研究 (2019)
  • Author(s): 杉田達郎、百武篤也、山本泰彦、松尾貴史、廣田俊、鈴木秋弘、根矢三郎、荘司長三、渡辺芳人
  • Organizer: 第46回生体分子科学討論会
• [Presentation] システイン残基周辺の局所的環境の違いを利用したタンパク質化学修飾の反応制御 (2019)
  • Author(s): 松尾貴史、三宅輝幸、廣田俊
  • Organizer: 第19回蛋白質科学会年会
• [Presentation] Sequential conjugation of different synthetic molecules onto protein surface with two cysteine residues based on the reactivities of cysteine thiols (2019)
  • Author(s): Teruyuki Miyake, Yoji Fukada, Shun Hirota, Takashi Matsuo
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会
• [Presentation] チオールサブチリシンに結合したカルシウムイオンの結合状態が及ぼす主鎖の構造柔軟性およびシステインの反応性評価 (2018)
  • Author(s): 松尾貴史、菖蒲勇、河野尊匡、権田勝也、廣田俊
  • Organizer: 第45回生体分子科学討論会
• [Presentation] Combination of metathesis catalyst complexes and protein: From the development of metathesis-catalyzing artificial enzymes to application as a biorthogonal tool (2018)
  • Author(s): Takashi Matsuo, Takefumi Yoshida, Chie Imai, Shun Hirota, Kazumo Wakabayashi, Catur Jatmika
  • Organizer: 43rd International Conference on Coordination Chemistry 2018 (ICCC-2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Construction of “metathesase” with protein scaffold and potential application of olefin metathesis as a biochemical tool (2018)
  • Author(s): Takashi Matsuo, Takefumi Yoshida, Chie Imai, Shun Hirota, Kazumo Wakabayashi,
  • Organizer: International Congress of Pure and Applied Chemistry-2018(ICPAC-2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] タンパク質内部の遷移金属イオンの性質とタンパク質構造柔軟性：チオールサブチリシンをモデルタンパク質とした相関関係の実験的検討 (2017)
  • Author(s): 松尾貴史、菖蒲勇、石田昌也、河野尊匡、廣田俊
  • Organizer: 第17回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] タンパク質の動的構造効果による機能制御 (2017)
  • Author(s): 松尾貴史
  • Organizer: 第３０回生物無機化学夏季セミナー
  • Invited
• [Presentation] 金属錯体-金属錯体相互作用のスイッチングを目指したCoサレン錯体修飾アデニル酸キナーゼの物性評価 (2017)
  • Author(s): 三宅輝幸、松尾貴史、廣田俊
  • Organizer: 錯体化学会第67回討論会
• [Presentation] タンパク質の構造的二面性に立脚した反応場の機能制御 (2017)
  • Author(s): 松尾貴史、三宅輝幸、藤井亮、菖蒲勇、河野尊匡、廣田俊
  • Organizer: 第66回高分子討論会
• [Book] Advances in Bioorganometallic Chemistry (2018)
  • Author(s): Daniel F. Sauer, Takashi Matsuo, Akira Onoda, Jun Okuda, Takashi Hayashi
  • Total Pages: 472
  • Publisher: Elsevier
  • ISBN: 9780128141977
• [Remarks] 松尾貴史 ホームページ
  • URL: https://mswebs.naist.jp/LABs/hirota/tmatsuo/matsuo_jpn.html
• [Remarks] 松尾貴史ホームページ
  • URL: http://mswebs.naist.jp/LABs/hirota/tmatsuo/matsuo_jpn.html