X線結晶構造解析を用いたtRNAのアミノアシルtRNA合成酵素活性化機構の解明

• 研究課題/領域番号: 11780462
• 研究種目: 奨励研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 濡木 理 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助手 (10272460)
• 研究期間 (年度): 1999 – 2000
• 研究課題ステータス: 完了 (2000年度)
• 配分額: 2,400千円 (直接経費: 2,400千円); 2000年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 1999年度: 1,300千円 (直接経費: 1,300千円)
• キーワード: 蛋白質合成 / トランスファーRNA / アミノアシルtRNA合成酵素 / X線結晶構造解析 / 校正反応 / 分子進化 / 高度好熱菌

研究概要

高度好熱菌Thermus thermophilus由来のバリルtRNA合成酵素(ValRS)・tRNA^<Val>・バリルAMPアナログ3重複合体(分子量25万)の結晶構造を2.8Åで決定した(Cell2000;103:793-803)。木構造では、tRNAのアミノ酸受容末端がValRSのアミノ酸校正ドメインに特異的に認識されており、誤って活性化した非特異的なアミノ酸を校正する状態を示す最初の構造であり、tRNAの認識と連携した酵素のアミノ酸校正機構に関して全世界に先駆けて新しい知見を得た。また、高度好熱菌由来グルタミルtRNA合成酵素(GluRS)とtRNA^<Glu>の複合体の結晶構造を2.4Åで決定した(Nature Structural Biol.;3,in press).。GluRSには、生物種によって、tRNA^<Glu>(アンチコドンYUC^<36>)のみを認識する識別性GluRSと、tRNA^<Glu>とtRNA^<Gln>(アンチコドンYUG^<36>)の両方を認識するbifunctionalな非識別性GluRSがあるが、高度好熱菌由来GluRSは識別性GluRSである。本構造では、tRNA^<Glu>のアンチコドン3字目のC36がArg358により水素結合で認識されていたが、このArg残基をGln残基に置換することで、変異体GluRSは非識別性GluRSに変換されることがわかり、わずか1残基のアミノ酸置換でtRNA認識が変換された分子進化の過程を実証することに成功した。また超好熱古細菌Pyrococcus horikoshiiのリジルtRNA合成酵素(古細菌以外ではクラスIIに属するが、古細菌由来の本酵素はクラスIのATP結合モチーフを持ち、進化的に興味深い)の結晶構造をMAD法により解析し、モデルの構築を行っている。

研究成果

• [文献書誌] Kukimoto,M.,O.Nureki et al.: "Crystallization and preliminary X-ray diffraction analysis of the extracellular domain of the cell surface antigen CD38 complexed with ganglioside"J.Biochemistry. 127. 181-184 (2000)
• [文献書誌] Fukai,S.,O.Nureki et al.: "Structural basis for double-sieve discrimination of the cognate L-valine from L-isoleucine and L-threonine by the complex of tRNA^<Val> and valyl-tRNA synthetase"Cell. 103. 793-803 (2000)
• [文献書誌] Shimada,A.,O.Nureki,N.Dohmae,K.Takio,and S.Yokoyama: "Gene cloning, expression, crystallization, and preliminary X-ray analysis of Thermus thermohilus arginyl-tRNA synthetase"Acta Crystallographica D. 57. 272-275 (2001)
• [文献書誌] Sekine,S.,O.Nureki,A.Shimada,D.G.Vassylyev and S.Yokoyama: "Structural basis for anticodon recognition by discriminating glutamyl-tRNA synthetase"Nature Structural Biol.. (in press).
• [文献書誌] Sekine,S.,A.Shimada,O.Nureki, et al.: "Crucial role of the HIGH-loop lysine for the catalytic activity of arginyl-tRNA synthetase"J.Biol.Chem.. (in press).
• [文献書誌] Nureki,O.et al.: "Proofreading by isoleucy-transfer RNA synthetase"Science. 283. 459a (1999)
• [文献書誌] Sekine,S.,O.Nueki,M.Tateno,and S.Yokoyama: "The identity determinants required for the discrimination between tRNA(Glu) and tRNA(Asp) by glutamyl-tRNA synthetase from Esherichia coli."Eur.J.Biochem.. 261. 354-360 (1999)
• [文献書誌] 濡木理: "「tRNAへのアミノ酸の結合ーその起源と進化ー」"化学と工業. 50. 181-189 (1999)
• [文献書誌] Mechulam,Y.,E.Schmitt,L.Maveryraud,C.Zelwer,O.Nureki,et al: "Crystal Structure of Escherichia coli methionyl-tRNA Synthetase highlights species-specific features"J.Mol.Biol.. 294. 1287-1297 (1999)
• [文献書誌] Sugiura,I.,O.Mueki,et al: "The 2.0 A crystal structure of Thermus thermophilus methionyl-tRNA synthetase reveals two RNA-binding modules"Structure. 8. 197-208 (2000)