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Elucidation of molecular mechanism of bilin synthesis by ferredoxin-dependent bilin reductases

Research Project

Project/Area Number 20370037
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Research Field Structural biochemistry
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

FUKUYAMA Keiichi  Osaka University, 大学院・理学研究科, 教授 (80032283)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) TAKAHASHI Yasuhiro  埼玉大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (10154874)
WADA Kei  大阪大学, 大学院・理学研究科, 助教 (80379304)
Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha) INOMATA Katsuhiko  金沢大学, 大学院・自然科学研究科, 教授 (50110599)
SUGISHIMA Masakazu  久留米大学, 医学部, 講師 (30379292)
Project Period (FY) 2008 – 2010
Project Status Completed (Fiscal Year 2010)
Budget Amount *help
¥20,020,000 (Direct Cost: ¥15,400,000、Indirect Cost: ¥4,620,000)
Fiscal Year 2010: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Fiscal Year 2009: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Fiscal Year 2008: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
Keywordsビリン還元酵素 / ビリン色素 / フェレドキシン / X線結晶解析 / クロロフィル / 光合成色素 / クロロフィルの分解 / 酵素反応機構 / PcyA / RCCR / 分子進化
Research Abstract

In order to elucidate the molecular mechanism of PcyA, we determined the crystal structures of PcyA in complex with the reaction intermediate (18^1,18^2-dihydrobiliverdin), PcyA in complex with the synthetic analog of substrate (biliverdin XIIIα), and PcyA mutant protein of E76Q in complex with BV. These structural studies showed that the carboxyl group of Glu76 in PcyA-BV was in close proximity to the D-ring vinyl group, suggesting the presence of OH...π hydrogen bond here and that this bond is a key for the preceding reduction of the D-ring vinyl group.
When Val225 was replaced by Asp, the absorption spectrum of this mutant protein in complex with BV was very different from that of PcyA-BV. The orientation of BV in V225D-BV was inverted and the induced-fit did not occur upon BV binding. This observation presented a cautionary note about interpreting functional data derived from a mutated protein in the absence of its exact structure. In parallel we expressed, purified and crystallized cyanobacterial biliverdin reductase, an enzyme that reduces at different site of BV from PcyA, We also prepared and crystallized the Se-Met form of biliverdin reductase, and performed preliminary X-ray diffraction analyses for these crystals.
We determined the crystal structure of red chlorophyll catabolite reductase (RCCR), a key enzyme in the chlorophyll breakdown pathway. The structure was essentially the same as PcyA, implicating that RCCR belongs to the ferredoxin-dependent bilin reductase family. We also determined the crystal structures of RCCR and its mutant protein in complex with substrate, proposing the reaction mechanism as well as the active residues of RCCR.

Report

(4 results)
  • 2010 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2009 Annual Research Report
  • 2008 Annual Research Report
  • Research Products

    (72 results)

All 2011 2010 2009 2008 Other

All Journal Article (31 results) (of which Peer Reviewed: 24 results) Presentation (37 results) Remarks (4 results)

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      第10回蛋白質科学会年会
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      札幌コンベンションセンター
    • Year and Date
      2010-06-17
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] ビリン色素合成酵素PcyAは新奇な機構で基質を還元しているのか?2010

    • Author(s)
      萩原義徳、和田啓、福山恵一
    • Organizer
      第10回蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター
    • Year and Date
      2010-06-17
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] ビリン色素合成酵素PcyAは新規な機構で基質を還元しているのか2010

    • Author(s)
      萩原義徳、和田啓、福山恵一
    • Organizer
      第10回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道)(招待講演)
    • Year and Date
      2010-06-17
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] NMRによるヘム認識機構の解明2010

    • Author(s)
      原田英里砂、杉島正一、野口正人、福山恵一、菅瀬謙治
    • Organizer
      第10回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道)
    • Year and Date
      2010-06-17
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] 超好熱菌Aquifex aeolicusの鉄硫黄クラスター生合成に関わる中核成分、脱硫黄酵素IscSと中間体クラスター形成蛋白質IscUの相互作用2010

    • Author(s)
      平林佳、中嘉孝、高橋康弘、福山恵一、和田啓
    • Organizer
      第10回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道)
    • Year and Date
      2010-06-17
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] フェレドキシン依存性ビリン還元酵素の構造生物学と中性子解析への期待2010

    • Author(s)
      福山恵一
    • Organizer
      H21年度生命物質構造解析研究会、三菱総合研究所
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2010-01-15
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] シロイヌナズナ由来red chlorophyll catabolite reductaseおよびF218V変異体の基質結合型結晶構造2010

    • Author(s)
      杉島正一、岡本千寛、野口正人、河内孝之、民秋均、福山恵一
    • Organizer
      日本植物生理学会年会
    • Place of Presentation
      熊本大学
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] フェレドキシン依存性ビリン還元酵素PcyAの部位特異的還元反応を制御する構造要因2009

    • Author(s)
      萩原義徳、杉島正一、Htoi Khawn、木下英樹、猪股勝彦、Lixia Shang、J.C.Lagarias、高橋康弘、福山恵一
    • Organizer
      日本結晶学会平成21年度年会
    • Place of Presentation
      関西学院大学上ヶ原キャンパス
    • Year and Date
      2009-12-05
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] フェレドキシン依存性ビリン還元酵素PcyAの部位特異的還元反亦を制御する構造要因2009

    • Author(s)
      萩原義徳, 他8名
    • Organizer
      日本結晶学会年会
    • Place of Presentation
      関西学院大学上ヶ原キャンパス
    • Year and Date
      2009-12-05
    • Related Report
      2009 Annual Research Report
  • [Presentation] クロロフィル代謝関連酵素Red Chlorophyll Catabolite Reductaseの結晶構造2009

    • Author(s)
      杉島正一、北森有加、野口正人、河内孝之、福山恵一
    • Organizer
      第9回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      熊本全日空ホテルニュースカイ
    • Year and Date
      2009-05-20
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] クロロフィル代謝関連酵素red chlorophyll catabolite reductaseの立体構造2009

    • Author(s)
      杉島正一、北森有加、野口正人、河内孝之、福山恵一
    • Organizer
      日本結晶学会平成21年度年会
    • Place of Presentation
      関西学院大学上ヶ原キャンパス
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] 枯草菌に由来する耐塩性γ-グルタミルトランスペプチダーゼの結晶構造2009

    • Author(s)
      和田啓、入江麻智子、鈴木秀之、福山恵一
    • Organizer
      日本結晶学会平成21年度年会
    • Place of Presentation
      関西学院大学上ヶ原キャンパス
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] Molecular mechanism of the two-step reduction catalyzed by PcyA2009

    • Author(s)
      Y. Hagiwara, M.Sugishima, H. Khawn, H. Kinoshita, K. Inomata, L. Shang, J.C. Lagarias, Y.Takahashi, K.Fukuyama
    • Organizer
      ICTPPO 2009
    • Place of Presentation
      USA
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] Crystal structure of red chlorophyll catabolite reductase (RCCR) reveals that RCCR and ferredoxin dependent bilin reductase were evolved from the common ancestor2009

    • Author(s)
      M.Sugishima, Y. Kitamori, M. Noguchi, T. Kohchi, K.Fukuyama
    • Organizer
      ICTPPO 2009
    • Place of Presentation
      USA
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] グルタチオン代謝の鍵酵素γ-グルタミルトランスペプチダーゼの阻害剤を用いた基質認識機構の解明2008

    • Author(s)
      和田啓、入江麻智子、中嶋麻童、熊谷英彦、鈴木秀之、平竹潤、福山恵一
    • Organizer
      第81回日本生化学会大会
    • Place of Presentation
      神戸ポートアイランド
    • Year and Date
      2008-12-11
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] 鉄硫黄クラスターの生合成に関与する大腸菌SufBの機能解析2008

    • Author(s)
      佐藤喬之、和田啓、福山恵一、高橋康弘
    • Organizer
      第81回日本生化学会大会
    • Place of Presentation
      神戸ポートアイランド
    • Year and Date
      2008-12-10
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] Snapshots in the reaction pathway of bilin reductase PcyA2008

    • Author(s)
      Y. Hagiwara, et al.
    • Organizer
      XXI Congress of the International Union of Crystallography
    • Place of Presentation
      大阪国際会議場
    • Year and Date
      2008-08-28
    • Related Report
      2008 Annual Research Report
  • [Presentation] 鉄硫黄クラスターの生合成機構:ISCとSUFタンパク質群の構造と機能2008

    • Author(s)
      高橋康弘、和田啓、下村喜充、福山恵一
    • Organizer
      第8回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      タワーホール船堀
    • Year and Date
      2008-06-12
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] 鉄硫黄クラスターの生合成に関与するSUFマシナリーの構造・機能解析2008

    • Author(s)
      和田啓、佐藤喬之、鷲見法香、北岡伸太郎、高橋康弘、福山恵一
    • Organizer
      第8回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      タワーホール船堀
    • Year and Date
      2008-06-11
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Presentation] ビリン還元酵素PcyAの反応経路における段階別スナップショット2008

    • Author(s)
      萩原義徳、杉島正一、Htoi Khwan、木下英樹、猪股勝彦、Lixia Shang、J.C.Lagarias、高橋康弘、福山恵一
    • Organizer
      第8回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      タワーホール船堀
    • Year and Date
      2008-06-11
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      2010 Final Research Report
  • [Presentation] Crystal structure of Echerichia coli γ-glutamyltranspeptidase in complex with glutamine antagonists2008

    • Author(s)
      M. Irie, K.Wada, H.Suzuki, C. Yamada, H.Kumagai, J.Hiratake, K.Fukuyama
    • Organizer
      IUCr 2008
    • Place of Presentation
      Osaka
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      2010 Final Research Report
  • [Presentation] Snapshots in the reaction pathway of bilin reductase PcyA2008

    • Author(s)
      Y. Hagiwara, M.Sugishima, H. Khawn, H. Kinoshita, K. Inomata, L. Shang, J.C. Lagarias, Y.Takahashi, K.Fukuyama
    • Organizer
      IUCr 2008
    • Place of Presentation
      Osaka
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      2010 Final Research Report
  • [Presentation] The asymmetric architecture of 2Fe-2S IscU, a scaffold protein for iron-sulfur cluster biosynthesis2008

    • Author(s)
      K.Fukuyama, K.Wada, Y. Shimomura, Y.Takahashi
    • Organizer
      IUCr 2008
    • Place of Presentation
      Osaka
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      2010 Final Research Report
  • [Presentation] Biosynthesis of Fe-S clusters by SUF system: implications from crystal structure of SufCD complex2008

    • Author(s)
      K.Wada, T.Sato, N. Sumi, Y.Takahashi, K.Fukuyama
    • Organizer
      IUCr 2008
    • Place of Presentation
      Osaka
    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Remarks] ホームページ等

    • URL

      http://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/bio_web/lab_page/fukuyama/index.html

    • Related Report
      2010 Final Research Report
  • [Remarks]

    • URL

      http://bio.sci.osaka-u.ac.jp/bio_web/lab_page/fukuyama/index.html

    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Remarks] URL:

    • URL

      http://bio.sci.osaka-u.ac.jp/bio_web/lab_page/fukuyama/index.html

    • Related Report
      2009 Annual Research Report
  • [Remarks]

    • URL

      http://bio.sci.osaka-u.ac.jp/bio_web/lab_page/fukuyama/index.html

    • Related Report
      2008 Annual Research Report

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Published: 2008-04-01   Modified: 2016-04-21  

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