共鳴ラマン分光法を用いたアレンオキサイド合成酵素の反応機構の解明

• Project/Area Number: 04J02309
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: National Institutes of Natural Sciences Okazaki Research Facilities
• Principal Investigator: 當舎 武彦 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(岡崎共通研究施設), 岡崎統合バイオサイエンスセンター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2004 – 2006
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2006)
• Budget Amount: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2006: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2005: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2004: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: アレンオキサイド合成酵素 / 共鳴ラマン / チトクロムP450c21 / 不安定中間体 / 金属錯体 / フェリチン / 酵素反応機構 / ヘム / カタラーゼ / チトクロムP450 / アロマターゼ / 低温ラマン測定

Research Abstract

本年度は、一年次および二年次に得られた結果の成果報告を中心に研究に従事した。その結果、「11.研究発表」に示すとおり、珊瑚由来アレンオキサイド合成酵素((AOS)の構造機能相関に関する研究結果を米国生化学会誌であるThe Journal of Biological Chemistry誌に発表できた。また、同じくヘム酵素であるチトクロムP450アロマターゼ(P450arom)の研究に関しても、米国化学会誌であるBiochemistry誌に発表することができた。その他、国内外問わず行ってきた金属錯体を用いた金属酵素モデルの研究に関しても、世界の一流ジャーナルに結果を報告することができた。
研究成果の報告に加え、cAOSの研究に関しては、種々の変異体を作成、機能および構造評価を行ったところ、ヘムの近傍に存在するアスパラギン137がcAOS固有の酵素機能に必須であることを見出した。本結果は、cAOSにおいて未だ未解明である酵素反応機構を理解するために極めて重要な結果である。
昨年度から着手しはじめたヘム酵素であるチトクロムP450c21(P450c21)の研究においては、不安定反応中間体である酸素体の共鳴ラマン測定に成功し、鉄に配位した酸素分子の環境が基質の構造に敏感であることを発見した。本結果は、P450における酸素の活性化メカニズムを理解するうえで、有用なデータであり、現在、速報の形で投稿論文を作成中である。
また、本年度は、米国・オークランド子供病院研究所のElizabeth C.Theil教授の研究室に赴き、金属蛋白質の発現方法について学ぶとともに、非ヘム鉄蛋白質における酸素との反応機構に関する研究も行った。実際には、鉄貯蔵蛋白質であるフェリチンの鉄取り込み機構に関する研究を行い、フェリチンに特有な鉄の配位子の鉄取り込み過程における役割を提案することができた。
以上、本年度は、研究計画にあげたcAOSの酵素反応機構の解明だけにとどまらず、多岐にわたる研究対象に対し、それぞれ有意義な結果を得ることができた。

Research Products

• [Journal Article] Synthesis and Reactivity of (μ-η^2:η^2-Peroxo)dicopper(II) Complexes with Dinucleating Ligands : Hydroxylation of Xylyl Linker with a NIH Shift (2007)
  • Author(s): T.Matsumoto, H.Furutachi, S.Nagatomo, T.Tosha, S.Fujinami, 他
  • Journal Title: Journal of Organometallic chemistry 692 Pages: 111-121
• [Journal Article] Regioselective Arene Hydroxylation Mediated by a (μ-Peroxo)diiron(III) Complex : A functional Model for Toluene Monooxygenase (2007)
  • Author(s): M.Yamashita, H.Furutachi, T.Tosha, S.Fujinami, W.Saito, Y.Maeda, 他
  • Journal Title: Journal of American Chemical Society 129 Pages: 2-3
• [Journal Article] Synthesis, Characterization, and Reactivities of Manganese(V)-Oxo Porphyrin Complexes (2007)
  • Author(s): W.J.Song, M.S.Seo, S.DeBeer George, T.Ohta, R.Song, M.-J.Kang, T.Tosha, 他
  • Journal Title: Journal of American Chemical Society 129 Pages: 1268-1277
• [Journal Article] Raman Evidence for Specific Substrate-Induced Structural Changes in the Heme Pocket of Human Cytochrome P450 Aromatase during the Three Consecutive Oxygen Activation Steps (2006)
  • Author(s): T.Tosha, N.Kagawa, T.Ohta, S.Yoshioka, M.R.Waterman, 他
  • Journal Title: biochemistry 45 Pages: 5631-5640
• [Journal Article] On the Relationship of Coral Allene Oxide Synthase to Catalase : a Single Active Site Mutation that Induces Catalase Activity in Coral Allene Oxide Synthase (2006)
  • Author(s): T.Tosha, T.Uchida, A.R.Brash, T.Kitagawa
  • Journal Title: The Journal of Biological Chemistry 281 Pages: 12610-12617
• [Journal Article] ^<17>O NMR Study of Oxo Metalloporphyrin Complexes Correlation with Electronic Structure of M=O Moiety (2006)
  • Author(s): H.Fujii, T.Kurahashi, T.Tosha, T.Yoshimura, T.Kitagawa
  • Journal Title: Journal of Inorganic Biochemistry 100 Pages: 533-541
• [Journal Article] A Mononuclear Alkylperoxocopper(II) Complex as a Reaction Intermediate in the Oxidation of the Methyl Group of the Supporting Ligand (2006)
  • Author(s): M.Mizuno, K.Honda, J.Cho, H.Furutachi, T.Tosha, T.Matsumoto, 他
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition 45 Pages: 6911-6914
• [Journal Article] Mononuclear copper(II)-hydroperoxo complex derived from reaction of copper(I) complex with dioxygen as a model of DβM and PHM (2006)
  • Author(s): T.Fujii, S.Yamaguchi, Y.Funahashi, T.Ozawa, T.Tosha, T.Kitagawa, 他
  • Journal Title: Chemical Communications 128 Pages: 4428-4430
• [Journal Article] Identification of an "End-on" Nickel-Superoxo adduct, [Ni(tmc)(O_2)]^+ (2006)
  • Author(s): M.T.Kieber-Emmons, J.Annaraj, M.S.Seo, K.M.Van Heuvelen, T.Tosha,
  • Journal Title: Journal of American Chemical Society 128 Pages: 14230-14231
• [Journal Article] On the Relationship of Coral Allene Oxide Synthase to Catalase : a Single Active Site Mutation That Induces Catalase Activity in Coral Allene Oxide Synthase (2006)
  • Author(s): T.Tosha, T.Uchida, A.R.Brash, T.Kitagawa
  • Journal Title: The Journal Biological Chemistry (印刷中)
• [Journal Article] ^<17>O NMR Study of Oxo Metalloporphyrin Complexes Correlation with Electronic Structure of M=O Moiety (2006)
  • Author(s): H.Fujii, T.Kurahashi, T.Tosha, T.Yoshimura, T.Kitagawa
  • Journal Title: Journal of Inorganic Biochemistry (印刷中)
• [Journal Article] Nonheme Iron(II) Complexes of Macrocyclic Ligands in the Generation of Oxoiron(IV) Complexes and Catalytic Epoxidation of Olefins (2006)
  • Author(s): Y.Suh, M.S.Seo, K.M.Kim, Y.S.Kim, H.G.Jang, T.Tosha, 他
  • Journal Title: Journal of Inorganic Biochemistry (印刷中)
• [Journal Article] Sequential Reaction Intermediates in Aliphatic C-H Bond Functionalization Initiated by a Bis(μ-oxo)dinickel(III) Complex (2006)
  • Author(s): J.Cho, H.Furutachi, S.Fujinami, T.Tosha, 他
  • Journal Title: Inorganic Chemistry (印刷中)
• [Journal Article] Intramolecular Arene Hydroxylation versus Intermolecular Olefin Epoxidation by (μ-η2:η2-Peroxo)dicopper(II) Complex Supported by Dinucleating Ligand (2006)
  • Author(s): T.Matsumoto, H.Furutachi, M.Kobino, M.Tomii, S.Nagatomo, T.Tosha, 他
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society 128 Pages: 3874-3875
• [Journal Article] Oxidizing Intermediates from the Sterically Hindered Iron Salen Complexes Related to the Oxygen Activation by Nonheme Iron Enzymes (2005)
  • Author(s): T.Kurahashi, Y.Kobayashi, S.Nagatomo, T.Tosha, 他
  • Journal Title: Inorganic Chemistry 44 Pages: 8156-8166