シリアルフェムト秒結晶構造解析による銅含有アミン酸化酵素の触媒機構の解明

• Project Area: Non-equilibrium-state molecular movies and their applications
• Project/Area Number: 20H05448
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Osaka Medical and Pharmaceutical University
• Principal Investigator: 村川 武志 大阪医科薬科大学, 医学部, 助教 (90445990)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2021: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2020: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: シリアルフェムト秒結晶構造解析 / トパキノン / アミン酸化酵素

Outline of Research at the Start

酵素が化学反応を効果的かつ特異的に進めるには，触媒各段階での活性部位環境の最適化が必須であり，これにより活性化エネルギーの低減，反応特異性などが可能となる．タンパク質のダイナミクスに基づくこれらの視点は，触媒反応を明らかにするうえで，今後さらに重要性を増すと考えられるが，現時点では，高速で切り替わる各触媒過程を精密に観測することは難しく，抜本的な新規測定法の確立が必要となる．本研究では土壌細菌由来の銅含有アミン酸化酵素（AGAO）について，微結晶溶液と基質溶液の二液混合による時分割SFX測定を行う．得られたデータに計算化学などの解析結果を加え，酵素触媒の極めて速い反応過程を可視化する．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では土壌細菌由来の銅含有アミン酸化酵素（AGAO）について，微結晶溶液と基質溶液の二液混合時分割シリアルフェムト秒結晶構造解析(SFX)を行い，反応時間軸に沿った様々な構造情報を得る．得られた知見により，これまで未解明であった，触媒過程の各段階における活性部位環境の最適化，およびそれに基づく反応促進機構の詳細を明らかにすることを目指す．
本年度は，前年度確立した測定条件に沿って，嫌気条件下における二液混合時分割SFXを実施した．試料であるAGAOは，大腸菌を宿主として発現し精製し，微結晶は，ミクロシーディング法とバッチ法を組み合わせることにより得た．リキットジェット法による微結晶液と基質溶液の二液混合SFX測定はSACLA BL2にて実施した．
SFX測定について，本年度は，基質との混合後0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4秒の5セットのデータを取得した．得られたデータについてCrystfelを用いて指数付けおよび積分を行った．各測定条件とも50000 - 70000枚程度のイメージファイルに対しindexを付けることに成功した．上記の積分したデータを用いて，これまでに放射光を用いて決定した構造（3WA2）を用いて分子置換及び精密化を行い，補酵素TPQ及び，生成物であるフェニルアセトアルデヒドについてオミットマップを描き，反応中間体の同定を行ったところ，反応時間軸に沿った様々な構造変化を確認することができた．

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Microcrystal preparation for serial femtosecond X-ray crystallography of bacterial copper amine oxidase (2021)
  • Author(s): Murakawa Takeshi、Suzuki Mamoru、Arima Toshi、Sugahara Michihiro、Tanaka Tomoyuki、Tanaka Rie、Iwata So、Nango Eriko、Tono Kensuke、Hayashi Hideyuki、Fukui Kenji、Yano Takato、Tanizawa Katsuyuki、Okajima Toshihide
  • Journal Title: Acta Crystallographica Section F Structural Biology Communications Volume: 77 Issue: 10 Pages: 356-363
  • DOI: 10.1107/s2053230x21008967
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unique protonation states of aspartate and topaquinone in the active site of copper amine oxidase (2020)
  • Author(s): Shoji Mitsuo、Murakawa Takeshi、Boero Mauro、Shigeta Yasuteru、Hayashi Hideyuki、Okajima Toshihide
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 10 Issue: 63 Pages: 38631-38639
  • DOI: 10.1039/d0ra06365g
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 二液混合シリアルフェムト秒X線結晶構造解析に基づく銅含有アミン酸化酵素触媒機構の解明 (2022)
  • Author(s): 村川武志
  • Organizer: 日本放射光学会
  • Invited
• [Presentation] 高分解能中性子結晶構造解析に基づく銅含有アミン酸化酵素の触媒機構 (2021)
  • Author(s): 村川武志
  • Organizer: iBIXタンパク質構造研究会
  • Invited
• [Presentation] シリアルフェムト秒結晶構造解析による銅含有アミン酸化酵素の触媒機構の解明 (2021)
  • Author(s): 村川武志
  • Organizer: 日本生化学会
  • Invited
• [Presentation] 銅含有アミン酸化酵素の中性子結晶構造解析 (2021)
  • Author(s): 村川武志，栗原和男，安達基泰，日下勝弘，岡島俊英
  • Organizer: 日本結晶学会
• [Presentation] シリアルフェムト秒結晶構造解析による銅含有アミン酸化酵素の触媒機構の解明 (2020)
  • Author(s): 村川武志
  • Organizer: 令和二年度 新学術領域研究「高速分子動画」シンポジウム
• [Presentation] QM/MM法による銅アミン酸化酵素のプロトン化状態についての理論解析 (2020)
  • Author(s): 庄司光男、村川武志、重田育照、林秀行、岡島俊英
  • Organizer: 第34回分子シミュレーション討論会