シリアルフェムト秒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の解明

• Project Area: Non-equilibrium-state molecular movies and their applications
• Project/Area Number: 22H04757
• 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): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: シリアルフェムト秒結晶構造解析 / トパキノン / SFX

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，触媒各段階における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，触媒反応を解明するうえで，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，本酵素の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．
これまでに試料調製および測定条件をほぼ確立し，実際のSFX測定を開始している．昨年度までに反応後半の構造変化をとらえることに成功したため，本年度は，これまでとは測定条件を変える（測定を至適pHであるpH 9よりも低pH条件で測定を行う）ことにより，反応初期段階の構造変化を捉えることを試みた．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を用いた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．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X線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5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Neutron Crystallography of a Semiquinone Radical Intermediate of Copper Amine Oxidase Reveals a Substrate-Assisted Conformational Change of the Peptidyl Quinone Cofactor (2023)
  • Author(s): Murakawa Takeshi、Kurihara Kazuo、Shoji Mitsuo、Yano Naomine、Kusaka Katsuhiro、Kawano Yoshiaki、Suzuki Mamoru、Shigeta Yasuteru、Yano Takato、Adachi Motoyasu、Tanizawa Katsuyuki、Okajima Toshihide
  • Journal Title: ACS Catalysis Volume: 13 Issue: 18 Pages: 12403-12413
  • DOI: 10.1021/acscatal.3c02629
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Serial femtosecond X-ray crystallography of an anaerobically formed catalytic intermediate of copper amine oxidase (2022)
  • Author(s): Murakawa Takeshi、Suzuki Mamoru、Fukui Kenji、Masuda Tetsuya、Sugahara Michihiro、Tono Kensuke、Tanaka Tomoyuki、Iwata So、Nango Eriko、Yano Takato、Tanizawa Katsuyuki、Okajima Toshihide
  • Journal Title: Acta Crystallographica Section D Structural Biology Volume: 78 Issue: 12 Pages: 1428-1438
  • DOI: 10.1107/s2059798322010385
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular mechanism of a large conformational change of the quinone cofactor in the semiquinone intermediate of bacterial copper amine oxidase (2022)
  • Author(s): Shoji Mitsuo、Murakawa Takeshi、Nakanishi Shota、Boero Mauro、Shigeta Yasuteru、Hayashi Hideyuki、Okajima Toshihide
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 13 Issue: 36 Pages: 10923-10938
  • DOI: 10.1039/d2sc01356h
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Re-evaluation of protein neutron crystallography with and without X-ray/neutron joint refinement (2022)
  • Author(s): Murakawa Takeshi、Kurihara Kazuo、Adachi Motoyasu、Kusaka Katsuhiro、Tanizawa Katsuyuki、Okajima Toshihide
  • Journal Title: IUCrJ Volume: 9 Issue: 3 Pages: 342-348
  • DOI: 10.1107/s2052252522003657
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 銅含有アミン酸化酵素の中性子結晶構造解析 (2023)
  • Author(s): 村川武志，栗原和男，日下勝弘，安達基泰，岡島俊英
  • Organizer: 2023年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] Molecular movie of the catalytic reaction of bacterial copper amine oxidase conducted by mix-and-inject serial femtosecond X-ray crystallography (2023)
  • Author(s): Takeshi Murakawa
  • Organizer: “Molecular Movie” International Symposium 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] シリアルフェムト秒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 (2023)
  • Author(s): 村川武志，鈴木守，福井健二，桝田哲哉，宮原郁子，溝端栄一，羅方佳，姜正敏，岩田想，南後恵理子，矢野貴人，當舎武彦，谷澤克行，岡島俊英
  • Organizer: 令和5度新学術領域研究領域会議
• [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: 日本蛋白質科学会
  • Invited
• [Presentation] Molecular movie of the catalytic reaction of bacterial copper amine oxidase conducted by mix-and-inject serial femtosecond X-ray crystallography (2022)
  • Author(s): Takeshi Murakawa
  • Organizer: 10th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference
  • Int'l Joint Research / Invited