Elucidation of electronic control of hemoprotein function and its application to construct artificial blood substitute

• Project/Area Number: 26410172
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Bio-related chemistry
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: YAMAMOTO Yasuhiko 筑波大学, 数理物質系, 教授 (00191453)
• Research Collaborator: SHIBATA Tomokazu
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2014: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: ヘムタンパク質 / ヘム電子構造 / 配位子結合反応 / 機能調節 / 人工酸素運搬体

Outline of Final Research Achievements

We analyzed the functional properties of myoglobin and its mutant proteins reconstituted with heme cofactors possessing a heme Fe atom with a variety of electron densities. The study revealed that the oxygen (O2) affinities of the proteins are regulated by the electron density of the heme Fe atom (R(Fe)) in such a manner that the O2 affinity of the protein decreases, due to an increase in the O2 dissociation rate constant, with a decrease in the R(Fe). On the other hand, the carbon monoxide (CO) affinities of the proteins were almost independent of the R(Fe). As a result, the regulation of the O2/CO discrimination in the proteins is controlled by the R(Fe). Thus the electronic tuning of the intrinsic heme Fe reactivity through the R(Fe) plays a vital role in the regulation of the protein function, as the heme environment furnished by the nearby amino acid residues does. These findings pave the way to construct artificial blood substitute.

Research Products

• [Journal Article] Effects of Heme Electronic Structure and Distal Polar Interaction on Functional and Vibrational Properties of Myoglobin (2016)
  • Author(s): Y. Kanai, R. Nishimura, K. Nishiyama, T. Shibata, S. Yanagisawa, T. Ogura, T. Matsuo, S. Hirota, S. Neya, A. Suzuki, Y. Yamamoto
  • Journal Title: Inorg. Chem. Volume: 55 Issue: 4 Pages: 1613-1622
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.5b02520
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ferrous Heme Iron in Deoxy Myoglobin Reconstitutedwith Trifluoromethyl Group-Substituted Heme Cofactors (2016)
  • Author(s): T. Shibata, Y. Kanai, R. Nishimura, L. Xu, Y. Moritaka, A. Suzuki, S. Neya, M. Nakamura, and Y. Yamamoto
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 55 Issue: 23 Pages: 12128-12136
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.6b01360
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Characterization of the interaction between heme and a parallel G-quadruplexDNA formed from d(TTGAGG) (2016)
  • Author(s): T. Shibata, Y. Nakayama, Y. Katahira, H. Tai, Y.Moritaka, Y. Nakano, and Y. Yamamoto
  • Journal Title: Biochim. Biophys. Acta Volume: - Issue: 5 Pages: 1264-1270
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2016.11.005
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Characterization of the Interaction between Heme and a Parallel G-quadruplex DNA Formed from d(TTAGGGT) (2015)
  • Author(s): H. Shimizu, H. Tai, K. Saito, T. Shibata, M. Kinoshita, and Y. Yamamoto
  • Journal Title: Bull. Chem. Soc. Jpn. Volume: 88 Issue: 5 Pages: 644-652
  • DOI: 10.1246/bcsj.20140374
  • NAID: 130005069506
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] NMR Detection and Characterization of I-quartets in Parallel DNA Quadruplexes (2015)
  • Author(s): M. Kinoshita, S. Takaya, T. Shibata, H. Hemmi, and Y. Yamamoto
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: 44 Issue: 8 Pages: 1107-1109
  • DOI: 10.1246/cl.150383
  • NAID: 130005092593
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Characterization of Heme-DNA Complexes Composed of Some Chemically Modified Hemes and Parallel G-Quadruplex DNAs (2015)
  • Author(s): Y. Yamamoto, M. Kinoshita, Y. Katahira, H. Shimizu, Y. Di, T. Shibata, H. Tai, A. Suzuki, and S. Neya
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 54 Issue: 49 Pages: 7168-7177
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.5b00989
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effects of heme modification on oxygen affinity and cooperativity of human adult hemoglobin (2015)
  • Author(s): T. Shibata, E. Furuichi, K. Imai, A. Suzuki, and Y. Yamamoto
  • Journal Title: J. Porphyrins Phthalocyanines Volume: 19 Pages: 301-307
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electronic control of ligand-binding preference of a myoglobin mutant (2014)
  • Author(s): R. Nishimura, D. Matsumoto, T. Shibata, S. Yanagisawa, T. Ogura, H. Tai, T. Matsuo, S. Hirota, S. Neya, A. Suzuki, Y. Yamamoto
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 53 Issue: 17 Pages: 9156-9165
  • DOI: 10.1021/ic5011924
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of the electron density of the heme Fe atom o the Fe-Histidine coordination bond in deoxy myoglobin (2014)
  • Author(s): R. Nishimura, T. Shibata, H. Tai, I. Ishigami, S. Yanagisawa, T. Ogura, S. Neya, A. Suzuki, Y. Yamamoto
  • Journal Title: Bull. Chem. Soc. Jpn. Volume: 87 Issue: 8 Pages: 905-911
  • DOI: 10.1246/bcsj.20130331
  • NAID: 130004153305
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural characterization of imidazole adducts of heme-DNA complexes (2014)
  • Author(s): Y. Suzuki, H. Tai, K. Saito, T. Shibata, M. Kinoshita, A. Suzuki, and Y. Yamamoto
  • Journal Title: J. Porphyrins Phthalocyanines Volume: 18 Pages: 741-751
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Structural Characterization of G-Quadruplex DNAs Formed from Human Telomere-Related Sequences and Their Complexes with Heme (2017)
  • Author(s): Y. Yamamoto, K. Ochi, T. Shibata, H. Hemmi, and M. Hagihara
  • Organizer: 58th Experimental Nuclear Magnetic Resonance Conference (ENC)
  • Place of Presentation: Asilomar Conference Center（California, USA）
  • Year and Date: 2017-03-26
• [Presentation] DNA塩基配列がヘム-DNA複合体の構造と機能に与える影響 (2017)
  • Author(s): 片平祐弥，柴田友和, 松井亨, 守橋健二, 渡部明莉, 中尾知美, 柳澤幸子, 小倉尚志, 山本泰彦
  • Organizer: 日本化学会 第97春季年会(2017)
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学日吉キャンパス（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] 種々のフッ素化ヘムと四重鎖DNA[d(TTAGGG)]4の複合 体の機能と構造 (2017)
  • Author(s): 篠宮僚介, 片平祐弥, 柴田友和, 小倉尚志, 柳澤幸 子, 中尾知美, 鈴木秋弘, 山本泰彦
  • Organizer: 日本化学会 第97春季年会(2017)
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学日吉キャンパス（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] ヘムの系統的化学修飾および遠位アミノ酸置換がミオグロビンの機能に与える影響 (2017)
  • Author(s): 渡邉美帆, 金井佑生, 西村龍, 柴田友和, 松尾貴史, 廣田俊, 柳澤幸子, 小倉尚志, 鈴木秋弘, 根矢三郎, 山本泰彦
  • Organizer: 日本化学会 第97春季年会(2017)
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学日吉キャンパス（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] デオキシミオグロビンとデオキシ西洋わさびペルオキシダーゼにおけるヘムの電子状態の比較 (2017)
  • Author(s): 並木孝介, 柴田友和, 鈴木秋弘, 根矢三郎, 山本泰彦
  • Organizer: 日本化学会 第97春季年会(2017)
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学日吉キャンパス（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] ヘムと四重鎖DNAの複合体の構造解析 (2017)
  • Author(s): 越智健太郎, 山本泰彦, 柴田友和, 萩原正規, 逸見光
  • Organizer: 日本化学会 第97春季年会(2017)
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学日吉キャンパス（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] Characterization of Complexes between Hemes and Parallel G-Quadruplex DNAs (2016)
  • Author(s): Y. Yamamoto, T. Shibata, Y. Katahira, Y. Nakayama, H. Tai, T. Matsui, K. Morihashi, A. Watanabe, T. Nakao, S. Yanagisawa, T. Ogura, A. Suzuki, S. Neya
  • Organizer: 8th Asian Bioligical Inorganic Chemistry Conference(AsBIC 8)
  • Place of Presentation: The University of Auckland（Auckland, New Zealand）
  • Year and Date: 2016-12-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヘムと四重鎖DNAの複合体の構造解析 (2016)
  • Author(s): 越智健太郎, 柴田友和, 逸見光, 萩原正規, 山本泰彦
  • Organizer: 第55回NMR討論会(2016)
  • Place of Presentation: 広島国際会議場（広島県広島市）
  • Year and Date: 2016-11-16
• [Presentation] Structural characterization of catalytic DNAs Composed of Heme and Parallel G-quadruplexes (2016)
  • Author(s): Katahira, T. Shibata, T. Matsui, K. Morihashi, A. Watanabe, T. Nakao, S. Yanagisawa, T. Ogura, and Y. Yamamoto
  • Organizer: 第43回国際核酸化学シンポジウム(ISNAC 2016)
  • Place of Presentation: 熊本大学工学部百周年記念館（熊本県熊本市）
  • Year and Date: 2016-09-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of DNA Sequence Alteration on Structure of a Complex between Heme and All-Parallel G-Quadruplex (2016)
  • Author(s): T. Shibata, Y. Nakano, Y. Moritaka, Y. Nakayama, Y. Katahira, H. Tai, and ○Y. Yamamoto
  • Organizer: 第43回国際核酸化学シンポジウム(ISNAC 2016)
  • Place of Presentation: 熊本大学工学部百周年記念館（熊本県熊本市）
  • Year and Date: 2016-09-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヘムと平行型四重鎖DNAの複合体の構造および機能の解析 (2016)
  • Author(s): 柴田 友和，片平 祐弥，山本 泰彦
  • Organizer: 第17回若手NMR研究会
  • Place of Presentation: 箱根高原ホテル（神奈川県足柄下郡箱根町）
  • Year and Date: 2016-09-10
• [Presentation] ヘムと四重鎖DNAの複合体の触媒機能測定と構造解析 (2016)
  • Author(s): 山本 泰彦，片平 祐弥，中山 優作，柴田 友和，渡部 明莉，中尾 知美，柳澤 幸子，小倉 尚志，鈴木 秋弘，根矢 三郎
  • Organizer: 第10回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 石川県立音楽堂（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-07
• [Presentation] Structural and Functional Characterization of Complexes between Heme and G-quadruplex DNAs Formed from Human Telomere-related Sequences (2016)
  • Author(s): T. Shibata, Y. Katahira, H. Hemmi, and Y. Yamamoto
  • Organizer: The 27th International Conference on Magnetic Resonance in Biological Systems(ICMRBS2016)
  • Place of Presentation: 京都国際会館（京都府京都市）
  • Year and Date: 2016-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ミオグロビンの機能調節におけるヘムの電子構造の変化と遠位アミノ酸変異による影響 (2016)
  • Author(s): 渡邉美帆，金井佑生，西村龍，柴田友和，松尾貴史，廣田俊，鈴木明弘，根矢三郎，山本泰彦
  • Organizer: 第43回生体分子科学討論会
  • Place of Presentation: 名古屋大学野依記念学術交流館（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2016-06-24
• [Presentation] ヘムの化学修飾がメトアジドミオグロビンのスピン平衡に与える影響 (2016)
  • Author(s): 並木孝介，柴田友和，根矢三郎，鈴木明弘，山本泰彦
  • Organizer: 第26回金属の関与する生体関連反応シンポジウム
  • Place of Presentation: 北海道大学学術交流会館（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2016-06-17
• [Presentation] DNA塩基配列がヘム-DNA複合体の機能に与える影響 (2016)
  • Author(s): 片平祐弥，木下真志，柴田友和，山本泰彦
  • Organizer: 日本化学会第96春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学京田辺キャンパス（京都府京田辺市）
  • Year and Date: 2016-03-24
• [Presentation] ヘムと四重鎖DNAの複合体におけるヘム鉄の配位構造の解析 (2016)
  • Author(s): 木下真志，片平祐弥，柴田友和，山本泰彦，逸見光，根矢三郎，鈴木秋弘
  • Organizer: 日本化学会第96春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学京田辺キャンパス（京都府京田辺市）
  • Year and Date: 2016-03-24
• [Presentation] Electronic Control of Myoglobin Function (2015)
  • Author(s): Y. Yamamoto, R. Nishimura, Y. Kanai, T. Shibata, S. Yanagisawa, T. Ogura, H. Tai, T. Matsuo, S. Hirota, S. Neya, and A. Suzuki
  • Organizer: 2015 環太平洋国際化学会議
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 常磁性分子のNMR研究の基礎 (2015)
  • Author(s): 山本泰彦
  • Organizer: 理研シンポジウム 第16回分析・解析技術の化学と最前線
  • Place of Presentation: 理化学研究所和光地区（埼玉県和光市）
  • Year and Date: 2015-12-04
• [Presentation] ヘムと平行型四重鎖DNAの複合体の構造および機能の解析 (2015)
  • Author(s): 片平 祐弥，清水 春那，木下 真志，柴田友和，山本泰彦
  • Organizer: 第54回NMR討論会(2015)
  • Place of Presentation: 千葉工業大学津田沼キャンパス（千葉県習志野市）
  • Year and Date: 2015-11-06
• [Presentation] Characterization of Inosine-quartets in All Parallel DNA Quadruplexes (2015)
  • Author(s): M. Kinoshita, S. Takaya, T. Shibata, H. Hemmi, and Y. Yamamoto
  • Organizer: 第42回国際核酸化学シンポジウム
  • Place of Presentation: イーグレひめじ （兵庫県姫路市）
  • Year and Date: 2015-09-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 四重鎖DNAと種々の化学修飾ヘムの複合体 (2015)
  • Author(s): 山本泰彦，邸ツキ，石橋千絵，木下真志，片平祐弥，柴田 友和，太虎林，鈴木秋弘，根矢 三郎
  • Organizer: 第9回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 熊本大学工学部（熊本県熊本市）
  • Year and Date: 2015-09-10
• [Presentation] Electronic Regulation of Oxgen Affinity and Autoxidation in Myoglobin (2015)
  • Author(s): T. Shibata, Y. Kanai, R. Nishimura, T. Matusuo, S. Hirota, T. Ogura, S. Yanagisawa, S. Neya, A. Suzuki, and Y. Yamamoto
  • Organizer: "Metals in Biology" in Wako
  • Place of Presentation: 理化学研究所和光地区（埼玉県和光市）
  • Year and Date: 2015-06-16
• [Presentation] 遠位ヒスチジンをグルタミンに置換したミオグロビンにおける機能調節機構の解明 (2015)
  • Author(s): 金井佑生，西村龍，許力揚，柴田友和，松尾貴史，廣田俊，鈴木秋弘，根矢三郎，山本泰彦
  • Organizer: 第42回生体分子科学討論会
  • Place of Presentation: 高崎シティーギャラリ（群馬県高崎市）
  • Year and Date: 2015-06-12
• [Presentation] Heme-DNA Complexes (2015)
  • Author(s): Masashi Kinoshita, Tomokazu Shibata, Hikaru Hemmi, and Yasuhiko Yamamoto
  • Organizer: 5th International Meeting on Quadruplex Nucleic Acids
  • Place of Presentation: Bordeaux (France)
  • Year and Date: 2015-05-26 – 2015-05-28
• [Presentation] Heme-DNA Complexes (2015)
  • Author(s): M. Kinoshita, T. Shibata. H. Hemmi, and Y Yamamoto
  • Organizer: 5th International Meeting on Quadruplex Nucleic Acids: G4thering in Bordeaux
  • Place of Presentation: Bordeaux, France
  • Year and Date: 2015-05-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 遠位ヒスチジンをグルタミンに置換したミオグロビンにおける酸素親和性調節と自動酸化反応の分子機構の解明 (2015)
  • Author(s): 金井佑生、西村龍、許力揚、柴田友和、松尾貴史、廣田俊、鈴木秋弘、根矢三郎、山本泰彦
  • Organizer: 日本化学会第95春季年会2015
  • Place of Presentation: 日本大学 理工学部船橋キャンパス／薬学部（千葉県船橋市）
  • Year and Date: 2015-03-26 – 2015-03-29
• [Presentation] d(TTAGGGT)からなる四重鎖DNAとヘムの複合体の構造解析 (2015)
  • Author(s): 木下真志、清水春那、太虎林、齊藤香織、柴田友和、山本泰彦
  • Organizer: 日本化学会第95春季年会2015
  • Place of Presentation: 日本大学 理工学部船橋キャンパス／薬学部（千葉県船橋市）
  • Year and Date: 2015-03-26 – 2015-03-29
• [Presentation] デオキシミオグロビンにおけるヘムの電子状態の解析 (2015)
  • Author(s): 盛高佑貴、許力揚、西村龍、柴田友和、鈴木秋弘、根矢三郎、山本泰彦
  • Organizer: 日本化学会第95春季年会2015
  • Place of Presentation: 日本大学 理工学部船橋キャンパス／薬学部（千葉県船橋市）
  • Year and Date: 2015-03-26
• [Presentation] デオキシミオグロビンの鉄(II)高スピン(S = 2)ヘムにおける特異な電子状態の解析 (2014)
  • Author(s): 許力揚, 西村龍, 柴田友和, 山本泰彦, 鈴木秋弘, 根矢三郎
  • Organizer: 第53回NMR討論会
  • Place of Presentation: 大阪大学コンベンションセンター（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2014-11-04 – 2014-11-06
• [Presentation] Electronic Regulation of Ligand-Binding Preference of the L29F Mutant of Myoglobin (2014)
  • Author(s): T. Shibata, R. Nishimura, D. Matsumoto, S. Yanagisawa, T. Ogura, H. Tai, T. Matsuo, S. Hirota, S. Neya, A. Suzuki, and Y. Yamamoto
  • Organizer: Michinoku International Symposium on Porphyrins, Phthalocyanines and Functional Molecules
  • Place of Presentation: 宮城蔵王ロイヤルホテル（宮城県刈田郡蔵王町）
  • Year and Date: 2014-10-14 – 2014-10-16
• [Presentation] 一酸化炭素よりも酸素に対して高い親和性を示すミオグロビンの創製 (2014)
  • Author(s): 西村 龍, 松本 大地, 柴田 友和, 柳澤 幸子, 小倉 尚志, 太 虎林, 松尾 貴史, 廣田 俊, 根矢 三郎, 鈴木 秋弘, 山本 泰彦
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会(BSJ2014)
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-13 – 2014-09-15
• [Presentation] 酸素結合型ミオグロビンにおける量子化学的共鳴を通した酸素親和性および自動酸化反応速度の調節 (2014)
  • Author(s): 西村龍, 西山康太郎, 松本大地, 柴田友和, 石上泉, 小倉尚志, 太虎林, 長尾聡, 松尾貴史, 廣田俊, 荘司長三, 渡辺芳人, 今井清博, 根矢三郎, 鈴木秋弘, 山本泰彦
  • Organizer: 第41回生体分子科学討論会
  • Place of Presentation: 九州大学西新プラザ（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2014-06-06 – 2014-06-07
• [Remarks] http://www.chem.tsukuba.ac.jp/yamamoto/
• [Remarks] 筑波大学 生物無機化学研究室
  • URL: http://www.chem.tsukuba.ac.jp/yamamoto/