病原菌に特徴的な鉄の取り込みタンパク質に着目した新規な抗菌剤の開発

• 研究課題/領域番号: 16K05835
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生体関連化学
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 内田 毅 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (30343742)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2017年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2016年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: タンパク質 / ヘムタンパク質 / 酵素 / 反応機構解析 / 構造解析 / 病原菌 / ヘム / 鉄 / 反応機構 / 蛋白質 / 酵素反応 / 細菌 / 生体分子

研究成果の概要

病原菌が生存するために鉄は必須の元素である。感染源である人は鉄の大部分をヘモグロビン中にヘムとして、保有するため、病原菌の主な鉄源はヘムであり、ヘムを取り込み、分解し、鉄を取り出す。そこで、これらに関するタンパク質の機能について検討した。その結果、ヘムを分解し、鉄を取り出すHutZという酵素が活性中心に水素イオンが1個結合することで、活性型で変換することを見出し、その機構を明らかにした。さらに、鉄の輸送タンパク質であるCyaY、ヘム合成酵素であるPBGD、フェロキラターゼにヘムが結合し、いずれもそれぞれの機能を阻害することを発見した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

今回の発見の一つであるHutZの活性制御機構は、二量体の界面構造の変化を通じて行っているが、ヒトが保有するヘム分解酵素は単量体のタンパク質であり、コレラ菌由来HutZに特有な性質である。そのため、この界面構造を抑制する分子が存在すれば、コレラ菌の鉄獲得機構をのみを選択的に抑制することが可能である。キレート能をもつ小分子がHutZの反応を抑制するなど候補となる分子も発見した。それ以外にも今回発見した多くの事象はコレラ菌などの病原菌がもつタンパク質に特有な性質である。今後は本研究課題により見出された多くの性質を利用するこでで、従来型とは異なる新規な機構の阻害剤の開発につながることが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Subunit-subunit interactions play a key role in the heme-degradation reaction of HutZ from Vibrio cholerae (2019)
  • 著者名/発表者名: Uchida Takeshi、Ota Kazuki、Sekine Yukari、Dojun Nobuhiko、Ishimori Koichiro
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 48 号: 12 ページ: 3973-3983
  • DOI: 10.1039/c9dt00604d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of His63 in HutZ from Vibrio cholerae in the heme degradation reaction and heme binding (2019)
  • 著者名/発表者名: Uchida*, T., Dojun, N., Sekine, Y., and Ishimori, K.
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 48 ページ: 5408-5416
  • NAID: 120006841053
  • 査読あり
• [雑誌論文] Heme binding to porphobilinogen deaminase from Vibrio cholerae decelerates the formation of 1-hydroxymethylbilane (2018)
  • 著者名/発表者名: Uchida*, T., Funamizu, T., Chen, M., Tanaka, Y., and Ishimori, K.
  • 雑誌名: ACS Chemical Biology 巻: 15 号: 3 ページ: 750-760
  • DOI: 10.1021/acschembio.7b00934
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Iron Chaperone Protein CyaY from Vibrio cholerae is a Heme-Binding Protein (2017)
  • 著者名/発表者名: Uchida, T., Kobayashi, N., Muneta, S., Ishimori, K.
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 印刷中 号: 18 ページ: 2425-2434
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.6b01304
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Heme iron coordination structure of heme transport protein HutB from Vibrio cholerae (2017)
  • 著者名/発表者名: Uchida*, T., Funamizu, T., Ogura, M., and Ishimori, K.
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 90 号: 8 ページ: 924-930
  • DOI: 10.1246/bcsj.20170104
  • NAID: 130005973696
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Heme proximal hydrogen bonding between His170 and Asp132 plays an essential role in the heme degradation reaction by HutZ from Vibrio cholerae (2017)
  • 著者名/発表者名: Uchida*, T., Dojun, N., Sekine, Y., and Ishimori, K.
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 56 号: 21 ページ: 2723-2734
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.7b00152
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reaction Intermediates in the heme degradation reaction by HutZ from Vibrio cholerae (2017)
  • 著者名/発表者名: Uchida*, T., Sekine, Y., Dojun, N., Lewis, A., Ishigami, I., Matsui, T., Yeh, S.-R., and Ishimori, K.
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 46 号: 25 ページ: 8104-8109
  • DOI: 10.1039/c7dt01562c
  • NAID: 120006486794
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Iron chelators inhibit the heme-degradation reaction by HutZ from Vibrio cholerae (2017)
  • 著者名/発表者名: Dojun, N., Sekine, Y., Ishimori, K., Uchida, T.
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 46 号: 16 ページ: 5147-5150
  • DOI: 10.1039/c7dt00121e
  • NAID: 120006459301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dual role of the active-center cysteine in human peroxiredoxin 1: Peroxidase activity and heme binding (2017)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, Y., Ishimori, K., Uchida, T.
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communication 巻: 483 号: 3 ページ: 930-935
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2017.01.034
  • NAID: 120006383811
  • 査読あり
• [雑誌論文] HmuS from Yersinia pseudotuberculosis is a non-canonical heme-degrading enzyme to acquire iron from heme (2017)
  • 著者名/発表者名: Onzuka, M., Sekine, Y., Uchida, T., Ishimori, K., and Ozaki, S.
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta 巻: 印刷中 号: 7 ページ: 1870-1878
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2017.04.003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural Characterization of Heme Environmental Mutants of CgHmuT that Shuttles Heme Molecules to Heme Transporters (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Muraki, C. Kitatsuji, M. Ogura, T. Uchida, K. Ishimori, and S. Aono
  • 雑誌名: Int. J. Mol. Sci. 巻: 17 号: 6 ページ: 829-839
  • DOI: 10.3390/ijms17060829
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] シアノバクテリア由来Alr5027の1残基変異によるヘム分解能の付与 (2019)
  • 著者名/発表者名: 道順 暢彦、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会
• [学会発表] ヘム合成関連酵素ポルフォビリノーゲンデアミナーゼ (PBGD)のヘム結合による活性制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 船水 拓実、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 第45回生体分子科学討論会
• [学会発表] DyP型ペルオキシダーゼの色素分解活性の至適pH変換 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大村 翼世、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 第28回金属の関与する生体関連反応シンポジウム
• [学会発表] 過酸化水素除去酵素ペルオキシレドキシンのヘム結合による活性制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡部 裕太、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 日本化学会第97春季年会
  • 発表場所: 慶應義塾大学（神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2017-03-16
• [学会発表] ヘムの結合による鉄シャペロンタンパク質CyaYの活性制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小林 則之、宗田 壮一朗、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 第27回金属の関与する生体関連反応シンポジウム
• [学会発表] コレラ菌由来ヘム分解酵素 HutZ のヘム分解機構の詳細 (2017)
  • 著者名/発表者名: 内田 毅、道順 暢彦、関根 由可里、石森 浩一郎
  • 学会等名: 第11回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] 分子進化的手法を用いたコレラ菌由来HutZのヘム分解機能の獲得機構の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 道順 暢彦、関根 由可里、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 第11回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] Heme Uptake Proteins from Pathogenic Vibrio cholerae (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Uchida
  • 学会等名: International Congress on Pure & Applied Chemistry (ICPAC) 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ヘム合成酵素PBGDのヘム結合による活性制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 船水 拓実、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 日本化学会第98春季年会
• [学会発表] コレラ菌由来HutZの二量体界面構造のヘム分解活性への寄与 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大田 一喜、道順 暢彦、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 日本化学会第98春季年会
• [学会発表] ヘム合成系酵素porphobilinogen deaminaseのヘムによる制御機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 船水 拓実、内田 毅
  • 学会等名: 第10回バイオ関連化学シンポジウム
  • 発表場所: 石川県立音楽堂（石川県・金沢市）
  • 年月日: 2016-09-07
• [学会発表] キレート剤によるコレラ菌由来ヘム分解酵素 HutZ の活性阻害とその分子機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 道順 暢彦、関根 由可里、内田 毅
  • 学会等名: 第10回バイオ関連化学シンポジウム
  • 発表場所: 石川県立音楽堂（石川県・金沢市）
  • 年月日: 2016-09-07
• [学会発表] ヘムから鉄の引き抜きと色素分解を行う二刀流タンパク質VcDyPの構造と反応機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 佐々木 美穂、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 第10回バイオ関連化学シンポジウム
  • 発表場所: 石川県立音楽堂（石川県・金沢市）
  • 年月日: 2016-09-07
• [学会発表] キレート剤によるコレラ菌由来ヘム分解酵素HutZの活性阻害とその分子機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 道順 暢彦、関根 由可里、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 第4回バイオ関連化学シンポジウム若手フォーラム
  • 発表場所: 金沢駅東もてなしドーム地下イベント広場（石川県・金沢市）
  • 年月日: 2016-09-06
• [学会発表] コレラ菌由来ヘム分解酵素HutZのヘム分解反応機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 関根 由可里、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 第43回生体分子科学討論会
  • 発表場所: 名古屋大学野依記念学術交流館（愛知県・岡崎市）
  • 年月日: 2016-06-24
• [学会発表] キレート剤によるヘム分解酵素HutZの酵素活性阻害機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 道順 暢彦、関根 由可里、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 第26回金属の関与する生体関連反応シンポジウム
  • 発表場所: 北海道大学学術交流会館（北海道・札幌市）
  • 年月日: 2016-06-17
• [学会発表] ヘム合成に関わる酵素Porphobilinogen deaminaseのヘムによるフィードバック制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 船水 拓実、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 第26回金属の関与する生体関連反応シンポジウム
  • 発表場所: 北海道大学学術交流会館（北海道・札幌市）
  • 年月日: 2016-06-17
• [学会発表] コレラ菌由来HutXによるヘム分解酵素HutZへのヘム輸送 (2016)
  • 著者名/発表者名: 関根 由可里、石森 浩一郎、内田 毅
  • 学会等名: 第26回金属の関与する生体関連反応シンポジウム
  • 発表場所: 北海道大学学術交流会館（北海道・札幌市）
  • 年月日: 2016-06-17
• [備考] 研究室ニュース
  • URL: http://wwwchem.sci.hokudai.ac.jp/~stchem/news/1103/
• [備考] 発表論文からpickup
  • URL: http://wwwchem.sci.hokudai.ac.jp/~stchem/pickup/