2022 Fiscal Year Research-status Report
Structural analysis of IMP-type metallo-beta-lactamase in complex with its substrate
| Project/Area Number |
21K07010
|
|---|
| Research Institution | Nara Medical University |
|---|
Principal Investigator |
山本 惠三 奈良県立医科大学, 医学部, 准教授 (90254490)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
矢野 寿一 奈良県立医科大学, 医学部, 教授 (20374944)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | メタロ－β－ラクタマーゼ / 基質特異性 / Ｘ線結晶構造解析 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
令和4年度については、令和3年度において行ったIMP-6とIMP-1の基質特異性を決定している要因を探るために行ったX線結晶構造解析の結果を基にして、さらに詳細な解析を行った。
前年度のX線結晶構造解析の結果、IMP-6とIMP-1の基質特異性を決定している要因は、基質結合に関与する、フレキシブルループ(L1)と呼ばれる部分の構造の柔軟性の違いであることを明らかにした。そこで、すでに構造が明らかになっているIMP型β－ラクタマーゼ（IMP-2, IMP-13, IMP-18）に対し、L1部分の柔軟性の指標となる温度因子と、メロペネム、イミペネムに対する基質特異性の指標となる酵素学的性質（Km）とを比較した。すると、L1部分の温度因子の平均値とそれ以外の部分の温度因子の平均値の比が大きい、すなわちL1の柔軟性がより高い酵素ほど、メロペネムに対するKmが低く、特異性が高い傾向があることが明らかになった
また、IMP-6にメロペネム、イミペネムを結合させた状態の構造を分子動力学的シミュレーションにより決定し、L1部分と２つの基質との相互作用の違いを解析した。その結果、イミペネムに比べてメロペネムの方が基質のR2側鎖が大きく、L1の動きが大きくないと基質が結合、脱離できないことを推測した。さらに、L1が動く際のヒンジとなるPro68をGlyに置換した変異型酵素を作成し、68位のアミノ酸がより動きやすいことが、L1のフレキシビリティーを拡大することを酵素学的に証明した。
以上の結果をまとめ、Structural insights into the substrate specificity of IMP-6 and IMP-1 metallo-β-lactamases. J. Biochem. 2023;173(1):21-30に報告した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和4年度においては、IMP-1とIMP-6のメロペネム、イミペネムに対する基質特異性の違いをX線結晶構造解析のデータを基に議論することができた。IMP-1とIMP-6の立体構造は、令和３年度にそれぞれ1.94Å、1.70 Å分解能で解析した。ところが、両者の構造には有意な差が見られなかった。そこで本年度は、①基質結合に関与するフレキシブルループ（L1）の柔軟性を表す温度因子の値を、既に構造が解明されているIMP型メタローβ－ラクタマーゼを含めて比較する。②IMP-6に対し、メロペネム、イミペネムが結合した状態の構造を分子動力学的シミュレーションにより推定し、L1と基質との相互座用について考察する。③L1の柔軟性を増大させるアミノ酸置換を導入した変異型酵素を作成し、L1の柔軟性と基質特異性との間に相関関係があることを明らかにする。の３項目の詳細な考察を行った。
以上の結果を、Structural insights into the substrate specificity of IMP-6 and IMP-1 metallo-β-lactamases. J. Biochem. 2023;173(1):21-30として報告することができたため、おおむね順調に進展していると評価した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
令和４年度までに、IMP-1、IMP-6とイミペネム、メロペネムをはじめとする抗菌薬との複合体のX線結晶構造解析ができていない。令和３年度に、IMP-6とメロペネムとの共結晶が15 mg/mL IMP-6, 40 mM meropenem, 20 % PEG3350, 0.1% n-octyl-glucoside, 0.1 M sodium citrate pH 5.5において析出することを報告したが、令和４年度にさらに結晶化条件を検索した結果、15 ℃において、15 mg/mL IMP-6, 20 mM meropenem, 0.1 M sodium citrate pH 5.0, 25 % polyethylene glycol monomethyl ether 550の条件で構造解析可能な大きさの柱状結晶が得られている。
そこで令和5年度においては、放射光実験施設（SPring-8）を使用してこの複合体結晶のX線回折データを収集し、実際にIMP-6にメロペネムがどのように結合しているのかを明らかにして、前年度のシミュレーションの結果と比較する予定である。また、引き続き、IMP-6とイミペネム、IMP-1とメロペネム、イミペネムとの複合体の共結晶が得られるような結晶化条件の検索を続行する。以上の結果を合わせ、IMP型メタロ－β－ラクタマーゼのk室特異性についての構造学的解明を進める予定である。
|
| Causes of Carryover |
令和４年度においては、約200千円の次年度使用額が生じた。その理由は、カラー刷りの論文を投稿する予定で、その投稿料を約200千円で見積もって予算を執行していた。しかしながら、Journal of Biochemistryに論文を投稿、受理された際に、オンライン版のみカラー刷りの場合には投稿料が無料になるオプションを使用したため、その分の予算が余り、次年度使用額となったものである。
令和5年度においては、当該年度に配分された直接経費（600千円）は当初の計画通りに執行したうえで、次年度使用額として繰り越した分については、IMP-1、IMP-6と基質との複合体のX線結晶構造解析の結果を論文にまとめ、投稿する際の投稿料として使用する予定である。以上により、計画通りの予算執行が可能であると考えている
|
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Presentation] Molecular and epidemiological characteristics of carbapenemase-producing Enterobacterales clinical isolates in Nara, Japan.2022
Author(s)
Kishi R, Nakano R, Nakano A, Suzuki Y, Horiuchi S, Saito K, Watanabe M, Morita R, Kawabe T, Yano H
Organizer
The 32nd International Congress of Antimicrobial Chemotherapy (ICC)
Int'l Joint Research
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
