Mechanistic studies on nonheme iron enzymes catalyzing cyclopropanation

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K14744
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 37020:Chemistry and chemical methodology of biomolecules-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Ushimaru Richiro 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 助教 (10873648)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 非ヘム鉄酵素 / ヘムオキシゲナーゲ / シクロプロパン化

Outline of Final Research Achievements

The peptide natural product formaomycin has a structurally unique non-proteinaceous amino acid (1'R,2'R)-3-nitrocyclopropylalanine (Ncpa). HrmI catalyzes the multi-step oxidation reaction of lysine to 6-NO2-Nle, while HrmJ, in the presence of αKG to Ncpa and catalyzes the dehydrogenative cyclopropanation reaction from 6-NO2-Nle to Ncpa. Reaction analysis and mutagenesis experiments using deuterated substrate analogs revealed the stereochemical process and its control. X-ray crystallography of HrmI and HrmJ provided insight into the substrate binding mode, stereoselectivity, and catalytic mechanism.

Free Research Field

天然物化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では非ヘム鉄酵素HrmIとHrmJの触媒機構の解析を行なった。HrmIはヘムオキシゲナーゲ酵素ファミリーに属するものの、そのタンパク質構造を触媒機能の相関は明らかになっていなかった。二核鉄結合型HrmIの結晶構造を得ることで、多段階窒素酸化反応の触媒メカニズムに関する知見を得た。また、HrmJは脱水素的シクロプロパン化反応を触媒するが、ほとんどの既知の鉄-αKG依存酵素は基質の水酸化反応を触媒するため、HrmJ のシクロプロパン化活性は極めて例外的である。本研究成果は既知酵素と同様の酵素活性部位を持つにもかかわらず、なぜ全く異なる反応を触媒するのかという根本的な問いの解決につながる。