銅アミン酸化酵素におけるキノノイド補酵素の生成過程とラジカル触媒機構

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08458196
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 谷澤 克行 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (20133134)
• Keywords: キノノイド補酵素 / 銅アミン酸化酵素 / 翻訳後修飾 / トパキノン / X線結晶構造 / 部位特異的変異導入

Research Abstract

銅アミン酸化酵素は、種々の生理活性アミン類の酸化的脱アミノ反応を触媒し、動植物や微生物に広く存在している。本酵素は、その活性発現に2価銅イオンを必須とするだけでなく、共有結合型の新規なキノノイド補酵素、2,4,5-トリヒドロキシフェニルアラニルキノン(トパキノン)を含有している。本研究では、これまでにコリネ型細菌の一種、Arthrobacter globiformisからフェニルエチルアミン酸化酵素およびヒスタミン酸化酵素遺伝子のクローニングを行い、両酵素の全一次構造を明らかにするとともに、大腸菌内での高発現系を構築した。さらに、銅とトパキノン補酵素を含まず不活性な前駆体型酵素(アポ型)を2価銅イオンとインキュベートすることにより、特定のチロシン残基からトパキノンが自己触媒的に生成することを実証した。本年度は、トパキノン生成過程におけるタンパク質(特に活性部位)の構造変化を明らかにするために、フェニルエチルアミン酸化酵素のアポ型とホロ型のX線結晶解析を行った。得られた結晶はアポ型、ホロ型ともに空間群C2に属し、2.2Åまでの分解能の反射を与える結晶であった。本酵素の各サブユニットは、18本のβ-シートからなるコアドメイン(β-サンドイッチ構造)と、α/β-構造をもちコアドメインの外側に配置する2個の小ドメインとから構成されていた。また、ホロ型酵素の銅イオンとトパキノン補酵素はともにサブユニット分子内部の奥深くに存在していた。一方、アポ型とホロ型の構造を比較すると、主鎖のバックボーン原子の座標は0.4Å以内のずれで一致し、両者に構造上の違いはほとんど見られなかった。従って、トパキノン補酵素の生成過程において、タンパク質構造の大きなコンフォメーション変化は起こらないと考えられた。しかし、アポ型酵素における前駆体チロシン残基とホロ型酵素におけるトパキノンの位置が大きく異なることが判明した。さらに、銅イオンのリガンドの一つであるヒスチジン残基のイミダゾール環の向きが大きく異なっていた。従って、トパキノン生成過程では活性部位に極めて限定された構造変化が重要であると推定された。

Research Products

• [Publications] M.Mure and K.Tanizawa: "Chemical and Biochemical Characteristics of Topa Quinone." Biosci.Biotech.Biochem.61・3. 410-417 (1997)
• [Publications] E.Shimizu, K.Ohta, S.Takayama, Y.Kitagaki, K.Tanizawa, and T.Yorifuji: "Purification and Properties of Phenylethylamine Oxidase of Arthrobacter globiformis." Biosci.Biotech.Biochem.61・3. 501-505 (1997)
• [Publications] C.E.Ruggiero, J.A.Smith, K.Tanizawa, and D.M.Dooley: "Mechanistic Studies of Topa Quinone Biogenesis in Phenylethylamine Oxidase." Biochemistry. 36・8. 1953-1959 (1997)
• [Publications] 谷澤克行: "銅アミンオキシダーゼにおけるトパキノン補酵素生成のしくみ" 化学と生物. 35・8. 569-575 (1997)
• [Publications] N.Nakamura, P.Moenne-Loccoz, K.Tanizawa, M.Mure, S.Suzuki, J.P.Kinman, and J.Sanders-Loehr: "Topaquinone-Dependent Amine Oxidases. Identification of Reaction Intermediates by Raman Spectroscopy." Biochemistry. 36・38. 11479-11486 (1997)
• [Publications] M.C.J.Wilce, D.M.Dooley, H.C.Freeman, J.M.Guss, H.Matsunami, W.S.McIntire, C.E.Ruggiero, K.Tanizawa, and H.Yamaguchi: "Crystal Structures of the Copper-Containing Amine Oxidase from Arthrobacter globiformis in the Holo-and Apo-Forms : Implications for the Biogenesis of Topa Quinone." Biochemistry. 36・51. 16116-16133 (1997)