2014 Fiscal Year Annual Research Report
ビリン還元酵素二状態の高分解能中性子構造解析によるビリベルジン水素化反応の解明
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24570122
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
海野 昌喜 茨城大学, 理工学研究科, 教授 (10359549)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 中性子結晶構造解析 / 還元 / 色素 / 光合成 / 水素原子 / ヒドロニウムイオン / J-PARC |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生物は光をエネルギー源や環境情報として利用している。これらを担う光受容蛋白質内の色素群phytobilinは、ヘム分解産物ビリベルジン（BV）から、フェレドキシン依存性ビリン還元酵素（FDBR）による還元反応で合成される。シアノバクテリアSynechocystis sp. PCC 6803由来の酵素PcyAは、BVの二か所に部位特異的に、しかも一定の順序で2電子供与・2水素添加し、phytobilinの一つフィコシアノビリンを合成する。この特殊な還元反応の機構を「水素原子レベル」で解明するため、基質であるBVおよび反応中間体である18（1）,18（2）-dihydrobiliverdin (18EtBV)それぞれを結合した二状態のPcyAの中性子結晶構造解析を行うのが本研究の目的であった。
PcyAとBVとの複合体の中性子結晶構造解析を行い、1.95 Å分解能で構造を解明した。東海村のJ-PARCにある「茨城県生命物質構造解析装置; iBIX」の利用で、水素を使って反応する酵素の反応直前の水素原子の配置を同定した。その結果、基質であるビリベルジンに通常の状態と一つの水素が結合した状態の二つの状態があることが明らかになった。それと共に、近くにあるアミノ酸の一つであるアスパラギン酸も二つの状態で存在する。また、ビリベルジン近傍にある二つのヒスチジンの間にヒドロニウムイオン（H3O+）が存在することが分かった。これらは、水素原子が見えたからこその初めての発見である。さらに、ビリベルジン近傍の水の存在やグルタミン酸とビリベルジンとの相互作用様式など、X線結晶構造解析の結果とは異なる部位があった。これは、今まで、X線の還元力により酵素が反応したものを観測していた可能性を示唆しており、「水素原子が見えやすい」という以外に、エネルギーが低い中性子の優位性を示す結果である。
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[Journal Article] Insights into the Proton Transfer Mechanism of a Bilin Reductase PcyA Following Neutron Crystallography.2015
Author(s)
Unno, M., Ishikawa-Suto, K., Kusaka, K., Tamada, T., Hagiwara, Y., Sugishima, M., Wada, K., Yamada, T., Tomoyori, K., Hosoya, T., Tanaka, I., Niimura, N, Kuroki, R., Inaka, K., Ishihara, M., Fukuyama, K.
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Journal Title
J. Am. Chem. Soc.
Volume: in press
Pages: XXXX
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Neutron Structure of Phycocyanobilin:oxidoreductase Complexed with Biliverdin2014
Author(s)
Masaki Unno, Kumiko Ishikawa-Sudo, Katsuhiro Kusaka, Taro Tamada, Yoshinori Hagiwara, Masakazu Sugisima, Kei Wada, Taro Yamada, Katsuaki Tomoyori, Takaaki Hosoya, Ichiro Tanaka, Nobuo Niimura, Ryota Kuroki, Koji Inaka, Makiko Ishihara, and Keiichi Fukuyama
Organizer
23rd Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography
Place of Presentation
Montreal
Year and Date
2014-08-09
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