周期的生体π空間およびπ空間ネットワークを利用したヘムπ電子系の機能開発

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Emergence of highly elaborated pai-space and its function
• Project/Area Number: 21108505
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 山本 泰彦 University of Tsukuba, 大学院・数理物質科学研究科, 教授 (00191453)
• Keywords: 核酸 / ヘム錯体 / 四重鎖DNA / G-カルテット / 配位結合 / NMR / 機能性核酸 / π-πスタッキング

Research Abstract

DNAの立体構造としては、Watson-Crick塩基対により形成される二重らせん構造が知られているが、塩基配列や水溶液条件によっては四重鎖(四重鎖DNA)等としても存在する。真核生物の染色体末端に存在するテロメア部位にあるグアニンに富んだ繰り返し配列は、高濃度のカリウムイオン(K^+)存在下でG-カルテットと呼ばれる四重鎖構造を形成する。G-カルテットの構造は、グアニン4つが同一平面内で環状にHoogsteen塩基対を形成することにより安定化されている。G-カルテットのπ電子系の平面性と大きさは、π-πスタッキング相互作用を通したヘムのポルフィリン環の認識には適している。また、四重鎖DNAには、G-カルテットの分子間におけるπ-πスタッキング相互作用により二量化する性質があり、ヘムの分子認識に活用可能である。本研究では、四重鎖DNAに内包されたπ空間とヘムのπ電子系の相互作用により生じる複合体の立体構造を解析すると共に、四重鎖DNAπ空間中の特異なヘム電子構造について明らかにした。その結果、ヘム-DNA複合体におけるヘムは、四重鎖DNAの3'末端のG-カルテットのπ平面2つによって分子間にサンドイッチされた、言わば四重鎖DNAのπ空間に孤立した状態で存在していることを初めて見いだした。また、この複合体のヘム鉄は低スピン状態で存在していることから、ヘム鉄とG-カルテットの間には比較的強い相互作用の存在が示唆された。

Research Products

• [Journal Article] Role of a highly conserved electrostatic interaction on the surface of cytochrome c in control of the redox function (2010)
  • Author(s): Tai, H., Mikami, S., Irie, K., Watanabe, N., Shinohara, N., Yamamoto, Y.
  • Journal Title: Biochemistry 49 Pages: 42-48
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Perturbation mechanism and phase transition of AOT aggregates in the Fe(II)[batho(SO_3)_2]_3-catalyzed aqueous Belousov-Zhabotinsky reaction (2010)
  • Author(s): Jahan, R.A., Suzukia, K., Mahara, H., Nishimura, S., Iwatsubo, T., Kaminaga, A., Yamamoto, Y., Yamaguchi, T.
  • Journal Title: Chem.Phys.Lett. 485 Pages: 304-308
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stability of the heme Fe-N-terminal amino group coordination bond in denatured cytochrome c (2009)
  • Author(s): Tai, H., Munegumi, T., Yamamoto, Y.
  • Journal Title: Inorg.Chem. 48 Pages: 331-338
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of the redox-dependent ionization state of the heme propionic acid side chain on the entropic contribution to the redox potential of Pseudomonas aeruginosa cytochrome c_<551> (2009)
  • Author(s): Mikami, S., Tai, H., Yamamoto, Y.
  • Journal Title: Biochemistry 48 Pages: 8062-8069
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Heme is not required for Aquifex aeolicus cytochrome c_<555> polypeptide folding (2009)
  • Author(s): Yamanaka, M., Mita, H., Yamamoto, Y., Sambongi, Y.
  • Journal Title: Biosci.Biotech.Biochem. 73 Pages: 2022-2025
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electron transfer from cytochrome c to cupredoxins (2009)
  • Author(s): Takayama, S.J., Irie, K., Tai, H., Kawahara, T., Hirota, S., Takabe, T., Alcaraz, L.A., Donaire, A., Yamamoto, Y.
  • Journal Title: J.Biol.Inorg.Chem. 14 Pages: 821-828
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of heme coordination structure in heme-DNA complex possessing gaseous molecule as an exogenous ligand (2009)
  • Author(s): Saito, K., Nakano, Y., Tai, H., Nagatomo, S., Hemmi, H., Mita, H., Yamamoto, Y.
  • Journal Title: Nucleic Acids Symp.Ser 73 Pages: 3066-371
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlation between stability and redox potential of three Homologous cytochromes c from two Thermophiles and one Mesophile (2009)
  • Author(s): Takeda, T., Sonoyama, T., Takayama, S.J., Mita, H., Yamamoto, Y., Sambongi, Y.
  • Journal Title: Biosci.Biotech.Biochem. 73 Pages: 366-371
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ミオグロビンにおけるヘム側鎖の電子性質とヘム鉄の電子密度及び反応性との関係 (2010)
  • Author(s): 深谷昌史, 柴田友和, 太虎林, 長友重紀, 山本泰彦, 鈴木秋弘
  • Organizer: 日本化学会第90春季年会
  • Place of Presentation: 近畿大学(東大阪市)
  • Year and Date: 2010-03-28
• [Presentation] 四重鎖DNAπ空間に孤立したヘムの電子構造 (2010)
  • Author(s): 山本泰彦, 斉藤香織, 太虎林, 長友重紀, 逸見光
  • Organizer: 高次Π空間の創発と機能開発 第3回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 岡崎コンファレンスセンター(岡崎市)
  • Year and Date: 2010-03-15
• [Presentation] A novel coordination complex between heme and all-parallel G-quadruplex DNA assembled from sequence d(TTAGGG) (2010)
  • Author(s): H.Tai, K.Saito, H.Hemmi, S.Nagatomo, Y.Yamamoto
  • Organizer: 配位プログラミング 第1回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(つくば市)
  • Year and Date: 2010-01-18
• [Presentation] Functional and structural characterization of a complex between heme and parallel G-quadruplex DNA assembled from sequence d(TTAGGG) (2009)
  • Author(s): Y.Yamamoto, K.Saito, Y.Nakano, H.Tai, S.Nagatomo, Y.Yamamoto, H.Hemmi
  • Organizer: 1^<st> International Symposium on Emergence of Highly Elaborated π-Space and Its Function
  • Place of Presentation: ホテル阪急エキスポパーク(吹田市)
  • Year and Date: 2009-12-18
• [Presentation] Heme Fe^<3+>-N-terminal amino Group coordination bond in denatured cytochrome c (2009)
  • Author(s): H.Tai, N.Watanabe, A.Sugimoto, S.Mikami, K.Irie, N.Shinohara, S.Nagatomo, T.Munegumi, Y.Yamamoto
  • Organizer: Symposium on Creation of Functional Materials
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(つくば市)
  • Year and Date: 2009-12-03
• [Presentation] Control of redox potential of Pseudomonas aeruginosa cytochrome c<551> through altering pK_a of heme 17-propionic acid side chain (2009)
  • Author(s): 三上真一, 太虎林, 入江清史, 篠原尚也, 長友重紀, 山本泰彦
  • Organizer: Symposium on Creation of Functional Materials
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(つくば市)
  • Year and Date: 2009-12-03
• [Presentation] Influence of structural change around the heme active site of Hydrogenobactor thermophilus cytochrome c<552> on its thermostability and redox potential (2009)
  • Author(s): K.Irie, S.Mikami, N.Watanabe, N.Shinohara, A.Sugimoto, H.Tai, S.Nagatomo, Y.Yamamoto
  • Organizer: Symposium on Creation of Functional Materials
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(つくば市)
  • Year and Date: 2009-12-03
• [Presentation] Relationship between oxygen affinity of mygolobin and electron density of heme Featom in the protein (2009)
  • Author(s): T.Shibata, R.Tai, S.Nagatomo, K.Morihashi, A.Suzuki, Y.Yamamoto
  • Organizer: Symposium on Creation of Functional Materials
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(つくば市)
  • Year and Date: 2009-12-03
• [Presentation] 種々のDNA塩基配列より形成される平行型四重鎖DNAの立体構造解析 (2009)
  • Author(s): 中野佑亮, 太虎林, 長友重紀, 山本泰彦, 逸見光
  • Organizer: 第48回NMR討論会
  • Place of Presentation: 九州大学(福岡市)
  • Year and Date: 2009-11-12
• [Presentation] ヘム-四重鎖DNA複合体の立体構造解析 (2009)
  • Author(s): 斉藤香織, 太虎林, 長友重紀, 山本泰彦, 逸見光
  • Organizer: 第48回NMR討論会
  • Place of Presentation: 九州大学(福岡市)
  • Year and Date: 2009-11-11
• [Presentation] Characterization of heme coordination structure in heme-DNA complex possessing gaseous moleclule as an exogenous ligand (2009)
  • Author(s): K.Saito, Y.Nakano, H.Tai, S.Nagatomo, H.Hemmi, H.Mita, Y.Yamamoto
  • Organizer: The 6^<th> International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • Place of Presentation: 高山市民文化会館(高山市)
  • Year and Date: 2009-09-29
• [Presentation] 好熱性水素細菌シトクロムc<552>における酸化還元電位とタンパク質の安定性の関係 (2009)
  • Author(s): 太虎林, 三上真一, 鹿毛真人, 入江清史, 渡辺直樹, 篠原尚也, 長友重紀, 山本泰彦
  • Organizer: 第59回錯体化学討論会
  • Place of Presentation: 長崎大学(長崎市)
  • Year and Date: 2009-09-25
• [Presentation] 好熱性水素細菌シトクロムc<552>のヘム近傍疎水性コア安定化による熱安定性の増大 (2009)
  • Author(s): 入江清史, 太虎林, 長友重紀, 山本泰彦
  • Organizer: 第24回生体機能関連シンポジウム・第12回バイオテクノロジー部会シンポジウム
  • Place of Presentation: 九州大学医系キャンパス(福岡市)
  • Year and Date: 2009-09-14
• [Presentation] ヘム側鎖の化学修飾を通じたヘムπ電子系調節とヘムタンパク質の機能調節 (2009)
  • Author(s): 柴田友和, 水関和哉, 長尾聡, 太虎林, 長友重紀, 濱田洋実, 吉川裕之, 鈴木秋弘, 今井清博, 山本泰彦
  • Organizer: 日本化学会第3回関東支部大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京都)
  • Year and Date: 2009-09-04
• [Presentation] 周期的生体π空間およびπ空間ネットワークを利用したヘムπ電子系の機能開発 (2009)
  • Author(s): 山本泰彦
  • Organizer: 高次Π空間の創発と機能開発 第2回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都府民総合交流プラザ(京都市)
  • Year and Date: 2009-08-28
• [Presentation] Molecular mechanisms responsible for entropic control of the redox potential of Pseudomonas aeruginosa cytochrome c<551> (2009)
  • Author(s): 三上真一, 入江清史, 太虎林, 長友重紀, 山本泰彦
  • Organizer: 2^<nd> International Symposium on Bioinorganic Chemistry of the New Era
  • Place of Presentation: 高山市民文化会館(高山市)
  • Year and Date: 2009-08-01
• [Presentation] Characterization of a complex between heme and G-quadruplex (2009)
  • Author(s): Y.Yamamoto, K.Saito, Y.Nakano, T.Arai, H.Tai, S.Nagatomo, H.Hemmi, H.Mita
  • Organizer: 14^<th> International Conference on Biological Inorganic Chemistry
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(名古屋市)
  • Year and Date: 2009-07-28
• [Presentation] Enhancement of thermostability of Hydrpgenobactor thermophilus cytochrome c<552> (2009)
  • Author(s): 入江清史, 太虎林, 長友重紀, 山本泰彦
  • Organizer: 14^<th> International Conference on Biological Inorganic Chemistry
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(名古屋市)
  • Year and Date: 2009-07-28
• [Presentation] Analysis of subunit interaction in human adult and fetal hemoglobin through the characterization of the acid-alkaline transition (2009)
  • Author(s): 柴田友和, 長尾聡, 太虎林, 長友重紀, 濱田洋実, 吉川裕之, 山本泰彦
  • Organizer: 14^<th> International Conference on Biological Inorganic Chemistry
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(名古屋市)
  • Year and Date: 2009-07-27
• [Presentation] Relationship between oxygen affinity of myoglobin and the equilibrium constant of acid-alkaline transition in metmyoglobin (2009)
  • Author(s): 柴田友和, 水関和哉, 長尾聡, 太虎林, 長友重紀, 鈴木秋弘, 今井清博, 山本泰彦
  • Organizer: 14^<th> International Conference on Biological Inorganic Chemistry
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(名古屋市)
  • Year and Date: 2009-07-27
• [Presentation] 変性状態のシトクロムcで形成されるヘム鉄とN末端アミノ基の配位結合の安定性の解析および天然構造の安定性との関係 (2009)
  • Author(s): 太虎林, 胸組虎胤, 渡辺直樹, 三上真一, 入江清史, 長友重紀, 山本泰彦
  • Organizer: 第36回生体分子科学討論会
  • Place of Presentation: 北海道大学(札幌市)
  • Year and Date: 2009-06-19
• [Remarks]
  • URL: http://www.chem.tsukuba.ac.jp/yamamoto/