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2021 Fiscal Year Annual Research Report

鉄硫黄クラスター生合成マシナリーの反応過程における過渡的な中間状態の解明

Research Project

Project/Area Number 20H03204
Research InstitutionSaitama University

Principal Investigator

高橋 康弘  埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (10154874)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 和田 啓  宮崎大学, 医学部, 准教授 (80379304)
藤城 貴史  埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (20740450)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords鉄硫黄クラスター / 生合成
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、鉄硫黄(Fe-S)クラスターの生合成を担う3種類のマシナリー(ISC、NIF、SUF)の作動機構の解明に焦点を当てて、遺伝学、生化学、構造生物学、分光学などのさまざまなアプローチを結集して解析を進めている。R3年度の進行状況ならびに研究成果を以下に示す。

1) IscUは、ISCマシナリーにおいてFe-Sクラスターの組み立てを担う中核成分である。このFe-Sクラスターは非常に不安定であるため解析が進んでいなかったが、私たちは、例外的に好熱性古細菌Methanothrix thermoacetophila IscUのFe-Sクラスターは比較的安定性が高いこと、さらに、H106Aというアミノ酸置換を導入すると安定性が向上することを見出した。このタンパク質のX線結晶構造解析に成功し、二量体の会合面に2つの [2Fe-2S] クラスターを集積した、独特な構造を世界に先駆けて決定した。また、溶液中でこの二量体に還元剤を加えると、2つの [2Fe-2S] から [4Fe-4S] へのクラスター変換が起こることを、EPRを用いた分光学的な解析で実証した。これらの知見から、IscUでは、1分子あたりひとつの [2Fe-2S] クラスターを組み立てた後で、2分子が会合して二量体となり、その会合面で2つの [2Fe-2S] クラスターが2電子を受け取って融合することで [4Fe-4S] クラスターに変換される、という大変ユニークなメカニズムが推定される。クラスターの組み立てと変換を担うIscUの構造基盤を明らかにすることができた。

2) 3種類のFe-Sクラスターの生合成マシナリー(SUF、ISC、NIF)の作動機構は大きく異なるものの、いずれもシステイン脱硫酵素によってクラスターの硫黄が供給されている。この脱硫酵素は大きく2つのタイプに分類されている(タイプI: IscSとNifS, タイプII: SufS)が、私たちはそれらの構造と反応機構について詳細に比較解析を進め、共通点と相違点、ならびに多様性と進化的な側面を明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

IscUの二量体化にカップルしたダイナミックなFe-Sクラスター変換の実体を説き明かしたことで、作動機構に関する重要な知見を得ることができた。研究成果を論文として公表すると共に、進行中のものは学会で発表しており、研究計画は概ね順調に進展していると評価できる。

Strategy for Future Research Activity

IscUについては、[4Fe-4S] クラスターを安定に保持できるよう種々の変異導入を試し、安定型が得られればEPRなどの分光学的な解析に加えて結晶構造解析により、クラスター変換におけるメカニズムの詳細を明らかにする。

SUFマシナリーについては、大腸菌のSufBC2D複合体に加えて、超好熱性古細菌のSufB2C2複合体の解析を並行して進める。Fe-Sクラスター中間体を保持したホロ型が得られれば、分光学的解析ならびにX線結晶構造解析によって実体を明らかにする。

  • Research Products

    (6 results)

All 2022 2021 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Structural diversity of cysteine desulfurases involved in iron-sulfur cluster biosynthesis.2022

    • Author(s)
      Fujishiro Takashi、Nakamura Ryosuke、Kunichika Kouhei、Takahashi Yasuhiro
    • Journal Title

      Biophysics and Physicobiology

      Volume: 19 Pages: e190001-1

    • DOI

      10.2142/ biophysico.bppb-v19.0001

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The Structure of the Dimeric State of IscU Harboring Two Adjacent [2Fe-2S] Clusters Provides Mechanistic Insights into Cluster Conversion to [4Fe-4S]2021

    • Author(s)
      Kunichika Kouhei、Nakamura Ryosuke、Fujishiro Takashi、Takahashi Yasuhiro
    • Journal Title

      Biochemistry

      Volume: 60 Pages: 1569~1572

    • DOI

      10.1021/acs.biochem.1c00112

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] PLP 依存型酵素システインデスルフラーゼ SufS に対する抗生物質シクロセリンの鏡像異性体間で異なる阻害反応機構2021

    • Author(s)
      中村亮裕、小川翔子、小松茉里佳、藤城貴史、高橋康弘
    • Organizer
      第47回生体分子科学討論会
  • [Presentation] 鉄硫黄クラスター生合成足場タンパク質 IscU における [2Fe-2S] から [4Fe-4S] へのクラスター変換の構造基盤2021

    • Author(s)
      國近航平、中村亮裕、藤城貴史、高橋康弘
    • Organizer
      第21回日本蛋白質科学会年会
  • [Presentation] 鉄硫黄クラスター生合成に関与する SufEおよび SufUの硫黄輸送状態の比較2021

    • Author(s)
      槇千智, 室賀直来, 寺畑拓也, 島田侑希乃, 國近航平, 中村亮祐, 藤城貴史, 高橋康弘
    • Organizer
      第94回日本生化学会大会
  • [Remarks] 分子統御研究室ホームページ

    • URL

      http://park.saitama-u.ac.jp/~tougyo/Home.html

URL: 

Published: 2022-12-28  

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