NO-cGMP系情報伝達システムの分子機構

• 研究課題/領域番号: 12147201
• 研究種目: 特定領域研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 齋藤 正男 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70302239)
• 研究分担者: 松井 敏高 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (90323120) ; 海野 昌喜 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (10359549) ; 富田 毅 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (20302242) ; 広津 晶子 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (50333901)
• 研究期間 (年度): 2000 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 30,300千円 (直接経費: 30,300千円); 2004年度: 7,500千円 (直接経費: 7,500千円); 2003年度: 7,400千円 (直接経費: 7,400千円); 2002年度: 7,700千円 (直接経費: 7,700千円); 2001年度: 7,700千円 (直接経費: 7,700千円)
• キーワード: ヘムオキシゲナーゼ / X線結晶構造解析 / 阻害剤 / 反応中間体 / 反応解析 / ヘム分解 / 可溶性グアニル酸シクラーゼ / ヘム / センサーヘムタンパク質 / 共鳴ラマン / 構造生物学

研究概要

可溶性グアニル酸シクラーゼの研究に関しては、ヘム結合ドメインの大量発現系および精製法を確立したが、結晶化条件を最適化するまでには至らなかった。
ヘムオキシゲナーゼ(HO)の反応機構については詳細に迫ることができた。今年度の実績は以下の通りである。
ヘムオキシゲナーゼの活性中心には効率的なプロトン供給チャネルが存在し、特にパーオキシ型活性種の生成に必要なプロトン移動は、酵素の構造緩和が起きえない4Kにおいてさえ速やかに進行することを明らかにした。同様なプロトン供給チャネルを有する他の酵素と比べても、ヘムオキシゲナーゼにおけるプロトン移動は非常に速く、ヘム分解という特異な反応に必須の要素ではないかと考えられる。なお、本研究は酵素中のプロトン移動を液体ヘリウム温度で観測した初めての例である。
ベルドヘム開環はヘム分解の律速段階にあたる重要な反応であるが、その反応機構などはほとんどわかっていない。詳細な反応解析の結果、従来から知られていた酸素のみでなく、過酸化水素によってもベルドヘム開環が進行することを見いだした。いずれの反応においても反応中間体の直接観測に初めて成功し、反応機構の解明に向けて重要な知見が得られた。また、過酸化水素による反応は生体内でも起きうる可能性があり、ヘムオキシゲナーゼは二つの機構を使い分けによって、酸化ストレスに迅速に応答すると考えられる。
ほ乳類のヘムオキシゲナーゼには二種類のアイソザイム(HO-1,HO-2)が存在する。結晶構造に基づいた薬剤デザインにより、一方のアイソザイムのみに作用する阻害剤の開発を進めている。現在までに、薬剤候補分子の骨格デザインを終え、HO-1に対して約15倍の選択性を示す分子を得ている。
また、4つの反応中間体や基質が結合していないヘムオキシゲナーゼの原子レベルの結晶構造解析に成功し、反応を制御する構造的な要因を明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] Roles of distal Asp in heme oxygenase from Corynebacterium diphtheriae, HmuO : A water-driven oxygen activation mechanism. (2005)
  • 著者名/発表者名: Matsui, T. et al.
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 280 ページ: 2981-2989
• [雑誌論文] Proton transfer at helium temperatures during dioxygen activation by heme monooxygenases (2004)
  • 著者名/発表者名: Davydov, R. et al.
  • 雑誌名: Journal of the American. Chemical. Society 126・49 ページ: 15960-15961
• [雑誌論文] Frataxin acts as an iron chaperone protein to modulate mitochondrial aconitase activity (2004)
  • 著者名/発表者名: Bulteau, A.L. et al.
  • 雑誌名: Science 305・5681 ページ: 242-245
• [雑誌論文] Heme regulates gene expression by triggering Crm1-dependent nuclear export of Bach1 (2004)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, H. et al.
  • 雑誌名: The EMBO Journal 23・13 ページ: 2544-2553
• [雑誌論文] Crystal structure of the dioxygen-bound heme oxygenase from Corynebacterium diphtheriae : implications for heme oxygenase function. (2004)
  • 著者名/発表者名: Unno, M. et al.
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 279・20 ページ: 21055-21061
• [雑誌論文] The crystal structures of the ferric and ferrous forms of the heme complex of HmuO, a heme oxygenase of Corynebacterium diphtheriae. (2004)
  • 著者名/発表者名: Hirotsu, et al.
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 279・12 ページ: 11937-11947
• [文献書誌] Davydov et al.: "Kinetic isotope effects on the rate-limiting step of heme oxygenase catalysis indicate concerted proton transfer/heme hydroxylation."J.Am.Chem.Soc.. 125(52). 16208-16209 (2003)
• [文献書誌] Bulteau et al.: "Redox-dependent modulation of aconitase activity in intact mitochondria."Biochemistry. 42(50). 14846-14855 (2003)
• [文献書誌] Zhang et al.: "Stereoselectivity of each of the three steps of the heme oxygenase reaction : hemin to meso-hydroxyhemin, meso-hydroxyhemin to verdoheme, and verdoheme to biliverdin."Biochemistry. 42(24). 7418-7426 (2003)
• [文献書誌] Coyle et al.: "FeNO structure in distal pocket mutants of myoglobin based on resonance Raman spectroscopy."Biochemistry. 42(17). 4896-4903 (2003)
• [文献書誌] Unno et al.: "Crystal structure of the dioxygen-bound heme oxygenase from Corynebacterium diphtheriae : Implications for heme oxygenase function"J.Biol.Chem.. (In press). (2004)
• [文献書誌] 富田 毅, 齋藤正男: "最近のヘムタンパク質研究"生化学. 75(7). 577-587 (2003)
• [文献書誌] Davydov, R., Ikeda-Saito, M., 他4名: "Catalytic mechanism of heme oxygenase through EPR and ENDOR of cryoreduced oxy-heme oxygenase and its Asp 140 mutants"J.Am.Chem.Soc.. 124. 1798-1808 (2002)
• [文献書誌] Li, Y., Ikeda-Saito, M., 他3名: "Cryogenic absorption spectra of hydroperoxo-ferric heme oxygenase, the active intermediate of enzymatic hemeoxygenation"J.Biol.Chem.. 532. 203-206 (2002)
• [文献書誌] Tomita, T., Ikeda-Saito, M., 他3名: "A comparative resonance Raman analysis of heme-binding PAS domains : heme iron coordination structures of the BjFixL, AxPDEA1, EcDos, and MtDos proteins"Biochemistry. 41. 4819-4826 (2002)
• [文献書誌] Gonzalez, G., Tomita, T., Ikeda-Saito, M., 他5名: "Nature of the displaceable heme-axial residue in the EcDos protein, a heme-based sensor from Escherichia coli"Biochemistry. 41. 8414-8421 (2002)
• [文献書誌] Watanabe, M., Matsui, T., 他3名: "Unusual cyanide bindings to a heme-regulated phosphodiesterase from Echerichia coli : effect of Met95 mutations"Biochem.Biophys.Res.Commun.. 299. 169-172 (2002)
• [文献書誌] Sasakura, Y., Matsui, T., 他7名: "Characterization of a direct oxygen sensor heme protein from Echerichia coli. Effects of the heme redox states and mutations at the heme-binding site on catalysis and structure"J.Biol.Chem.. 277. 23821-23827 (2002)
• [文献書誌] 海野昌喜, 月原富武: "細胞工学2002年9月号"秀潤社. 160 (2002)
• [文献書誌] Lesnefsky, E.J., Ikeda-Saito M.他5名: "Ischemic injury to mitochondrial electron transport in the aging heart : Damage to the iron-sulfur protein subunit of electron transport complex III"Arch. Biochem. Biophys.. 385. 117-128 (2001)
• [文献書誌] Lesnefsky, E.J., Ikeda-Saito M.他5名: "Aging decreases electron transport complex III activity in heart interfibrillar mitochondria by alteration of the cytochrome c binding site"J. Mol. Cell Cardiol.. 33. 37-47 (2001)
• [文献書誌] Fujii, H., Tomita, T., Ikeda-Saito, M.他2名: "A Role for highly conserved carboxylate, Aspartate-140, in oxygen activation and heme degradation by heme oxygenase-1"J. Am. Chem. Soc.. 123. 6475-6484 (2001)
• [文献書誌] Tomita, T. 他8名: "Elucidation of the differences between the 430 and 455-nm absorbing forms of P45O-isocyande adducts by resonance Raman spectroscopy"J. Biol. Chem.. 276. 36261-36267 (2001)
• [文献書誌] Chu G.C.,Tomita T.,Ikeda-Saito M. 他7名: "Histidine 20, the Crucial Proximal Axial Heme Ligand of Bacterial Heme Oxygenase Hmu O from Corynebacterium diphteriae"The Journal of Biological Chemistry. 275. 17494-17500 (2000)
• [文献書誌] Tomita T., Ikeda-Saito M. 他3名: "UV Resonance Raman Detection of a Ligand Vibration on Ferric Nitrosyl Heme Proteins"The Journal of American Chemical Society. 123(In press). (2001)