Elucidation of Molecular Mechanism Responsible for Peroxidase Activity of a Heme-Nucleic Acid Complex through the Nature of an Axial H2O ligand and Its Application to Design of Novel Catalysts

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16KT0048
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 山本 泰彦 筑波大学, 数理物質系, 教授 (00191453)
• Project Period (FY): 2016-07-19 – 2020-03-31
• Keywords: 四重鎖DNA / ヘム / G-カルテット / 酸化触媒作用 / テロメア / 機能性核酸 / 触媒機構 / 軸配位子

Outline of Annual Research Achievements

ヘムタンパク質の補欠分子族として自然界に遍在するヘムは、四重鎖DNAに特異的に結合し、酸化触媒作用を示すヘム核酸複合体を形成する。本研究は、ヘム核酸複合体のヘムと四重鎖DNAの接触界面に孤立する水分子が軸配位子としてヘム鉄に結合していることを発見した私の研究成果に基づいて実施された。そして、当該特設分野研究の目標である、環境調和型、高効率かつ高選択的な化学反応を可能にする知見を得た。
最終年度は、ヘム核酸複合体のヘム鉄の軸配位子である水分子の電子的性質を明らかにすると共に、ヘム核酸複合体の酸化触媒サイクルで生じる酸化反応活性種の検出に基づいて、ヘム核酸複合体の酸化触媒反応の機構を明らかにした。ヘム核酸複合体の酸化型ヘム鉄に、軸配位子の水分子に加えて、さらにもう一つの水分子を外部配位子として結合させた鉄三価高スピン状態のヘム鉄をもつH2O付加物を調製し、同様に鉄三価高スピン状態のヘム鉄をもつミオグロビンのH2O付加物とヘム側鎖のメチルプロトンに由来するNMRシグナルのシフト値を比較した結果、ヘム核酸複合体における軸配位子の水分子はヘム鉄に対して、ミオグロビンにおける軸配位子ヒスチジンと同程度の電子供与性を示すことが明かになった。したがって、ヘム核酸複合体の酸化触媒活性は、軸配位子の水分子の強い電子供与に起因することが明かとなった。したがって、軸配位子の水分子の強い電子供与が、ヘム核酸複合体のヘム鉄に結合した過酸化水素のO-O結合のヘテロリシスの促進を通して、酸化反応活性種である鉄４価オキソポルフィリンπカチオンラジカルの生成を促進することが明かになった。この結論は、ヘム鉄の電子密度が系統的に異なる一連の化学修飾ヘムを用いて調製したヘム核酸複合体の酸化触媒活性がヘム鉄の電子密度の減少に伴って低下することからも、確認された。

Research Products

• [Journal Article] Characterization of Structure and Catalytic Activity of a Complex between Heme and an All Parallel-Stranded Tetrameric G-Quadruplex Formed from DNA/RNA Chimera Sequence d(TTA)r(GGG)dT (2020)
  • Author(s): Hayasaka Kosuke、Shibata Tomokazu、Sugahara Aya、Momotake Atsuya、Matsui Toru、Neya Saburo、Ishizuka Takumi、Xu Yan、Yamamoto Yasuhiko
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 93 Pages: 621～629
  • DOI: 10.1246/bcsj.20200013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Specific Binding of an Anionic Phthalocyanine Derivative to G-Quadruplex DNAs (2020)
  • Author(s): Uchiyama Mami、Momotake Atsuya、Kobayashi Nagao、Yamamoto Yasuhiko
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 49 Pages: 530～533
  • DOI: 10.1246/cl.200110
• [Journal Article] Multimodal Multiphoton Imaging of the Lipid Bilayer by Dye-Based Sum-Frequency Generation and Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (2020)
  • Author(s): Mizuguchi Takaha、Momotake Atsuya、Hishida Mafumi、Yasui Masato、Yamamoto Yasuhiko、Saiki Toshiharu、Nuriya Mutsuo
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 92 Pages: 5656～5660
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.0c00673
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Monitoring the morphological evolution of giant vesicles by azo dye-based sum-frequency generation (SFG) microscopy (2020)
  • Author(s): Momotake Atsuya、Mizuguchi Takaha、Hishida Mafumi、Yamamoto Yasuhiko、Yasui Masato、Nuriya Mutsuo
  • Journal Title: Colloids and Surfaces B: Biointerfaces Volume: 186 Pages: 110716～110716
  • DOI: 10.1016/j.colsurfb.2019.110716
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of Intermediates in Peroxidase Catalytic Cycle of a DNAzyme Possessing Heme (2019)
  • Author(s): Shinomiya Ryosuke、Araki Haruka、Momotake Atsuya、Kotani Hiroaki、Kojima Takahiko、Yamamoto Yasuhiko
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 92 Pages: 1729～1736
  • DOI: 10.1246/bcsj.20190157
  • Peer Reviewed
• [Presentation] メソ位にトリフルオロメチル基を導入したヘムをもつミオグロビンの研究 (2020)
  • Author(s): 村田莉恵、百武篤也、山本泰彦、鈴木秋弘、松尾貴史、廣田俊、根矢三郎
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会 (2020)
• [Presentation] 四重鎖DNAとフタロシアニン誘導体の複合体 (2020)
  • Author(s): 内山真見、柴田友和、百武篤也、池上崇久、松井亨、山本泰彦
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会 (2020)
• [Presentation] カチオン性共重合体によるヘム-DNA 複合体のペルオキシダーゼ活性の増大 (2020)
  • Author(s): 荒木はるか、百武篤也、山本泰彦、落合拓郎、嶋田直彦、丸山厚
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会 (2020)
• [Presentation] ヒトテロメア関連塩基配列のDNA が2 分子で形成する平行型四重鎖DNA およびそのヘムとの複合体の研究 (2020)
  • Author(s): 岡本千奈、篠宮僚介、山田果央、百武篤也、山本泰彦
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会 (2020)
• [Presentation] ヘム-DNA 複合体のペルオキシダーゼ活性におけるPush 効果とPull 効果の相関関係の解析 (2020)
  • Author(s): 萩原翔太、篠宮僚介、百武篤也、鈴木秋弘、根矢三郎、山本泰彦
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会 (2020)
• [Presentation] ヘム－DNA 複合体のイミダゾール付加物の解析 (2020)
  • Author(s): 中島優輔、百武篤也、山本泰彦
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会 (2020)
• [Presentation] Deoxyribozyme Possessing Heme (2019)
  • Author(s): Y. Yamamoto, H. Araki, K. Hayasaka, S. Nakamura,T. Shibata, A. Momotake, and H. Hemmi
  • Organizer: 61st Experimental Nuclear Magnetic Resonance Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structures and Catalytic Activities of DNA Complexes Consisting of Chemically Modified Heme and Tetrameric G-Quadruplex DNA (2019)
  • Author(s): R. Shinomiya, A. Momotake, Y. Katahira, H. Araki, T. Shibata, S. Yanagisawa, T. Ogura, A. Suzuki, S. Neya, and Y. Yamamoto
  • Organizer: 15th International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry (ISABC15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Heme-DNAzyme (2019)
  • Author(s): Y. Yamamoto, R. Shinomiya, H. Araki, T. Shibata, A. Momotake, S. Yanagisawa, T. Ogura, A. Suzuki, S. Neya, and H. Hemmi
  • Organizer: Commemorative International Symposium of the Japan Society of Nucleic Acids Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Heme Meets DNA. (2019)
  • Author(s): Y. Yamamoto, R. Shinomiya, H. Kotani, H. Araki, A. Momotake, T. Shibata, S. Yanagisawa, T. Ogura, H. Hemmi, A. Suzuki, S. Neya, and T. Kojima
  • Organizer: 19th International Conference on Biological Inorganic Chemistry (ICBIC-19)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] DNAzyme Possessing Heme (2019)
  • Author(s): Y. Yamamoto, R. Shinomiya, H. Araki, T. Shibata, A. Momotake, S. Yanagisawa, T. Ogura, A. Suzuki, and S. Neya
  • Organizer: The 46th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Enhancement of Peroxidase Activity of Heme-DNAzyme through Interaction with Cationic Copolymers (2019)
  • Author(s): H. Araki, A. Momotake, Y. Yamamoto, T. Ochiai, N. Shimada, and A. Maruyama
  • Organizer: The 46th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Complexes between G-quadruplex DNA and Phthalocyanines (2019)
  • Author(s): M. Uchiyama, T. Shibata, A. Momotake, T. Ikeue, and Y. Yamamoto
  • Organizer: The 46th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronic Control of Myoglobin Function (2019)
  • Author(s): T. Sugita, T. Matsuo, S. Hirota, S. Yanagisawa, T. Ogura, O. Shoji, Y. Watanabe, A. Suzuki, S. Neya, A. Momotake, and Y. Yamamoto
  • Organizer: 17th International Symposium on Blood Substitutes & Oxygen Therapeutics (XVII-ISBS-2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヘムをもつ DNA 酵素 (2019)
  • Author(s): 山本泰彦、 篠宮僚介、小谷弘明、 荒木はるか、柴田友和、 百武篤也、 柳澤幸子、小倉尚志、逸見光、鈴木秋弘、根矢三郎、小島隆彦
  • Organizer: 第46回生体分子科学討論会
• [Presentation] 非線形光学イメージングに向けた無蛍光性分子プローブの開発と応用 (2019)
  • Author(s): 百武篤也、水口高翔、塗谷睦生、安井正人、山本泰彦
  • Organizer: 第46回生体分子科学討論会
• [Presentation] 四重鎖 DNA の形成様式がヘムをもつ DNA 酵素の性質に与える影響 (2019)
  • Author(s): 荒川和基、山田果央、片平裕弥、越智健太郎、中山優作、荒木はるか、篠宮僚介、百武篤也、山本泰彦
  • Organizer: 第46回生体分子科学討論会
• [Presentation] 3'末端に I-カルテットをもつ四重鎖 DNA とヘムの複合体の研究 (2019)
  • Author(s): 菅原綾、篠宮僚介、木下真志、柴田友和、百武篤也、山本泰彦、 柳澤幸子、小倉尚志、鈴木秋弘、根矢三郎
  • Organizer: 第46回生体分子科学討論会
• [Presentation] ヘム鉄の軸配位子としてイミダゾールをもつミオグロビンの研究 (2019)
  • Author(s): 杉田達郎、百武篤也、山本泰彦、松尾貴史、廣田俊、鈴木秋弘、根矢三郎、荘司長三、渡辺芳人
  • Organizer: 第46回生体分子科学討論会
• [Presentation] ヘムをもつDNA 酵素の酸化触媒機構 (2019)
  • Author(s): 山本泰彦、篠宮僚介、小谷弘明、荒木はるか、柴田友和、百武篤也、柳澤幸子、小倉尚志、鈴木秋弘、根矢三郎、小島隆彦
  • Organizer: 第13回バイオ関連化学シンポジウム2019
• [Presentation] Structural characterization of deoxyribozyme possessing heme (2019)
  • Author(s): Y. Yamamoto, Y. Suzuki, Y. Nakajima, T. Shibata, A. Momotake, S. Neya, and A. Suzuki
  • Organizer: 第58回NMR討論会(2019)
• [Presentation] 四重鎖DNAとヘムの複合体の酸化触媒機構 (2019)
  • Author(s): 菅原綾、篠宮僚介、小谷弘明、荒木はるか、柴田友和、百武篤也、柳澤幸子、小倉尚志、鈴木秋弘、根矢三郎、小島隆彦、山本泰彦
  • Organizer: 第52回酸化反応討論会
• [Remarks] 筑波大学 数理物質系 生物無機化学研究室
  • URL: http://www.chem.tsukuba.ac.jp/yamamoto/