ストップトフロー共鳴ラマン分光法によるヘム含有2原子酸素添加酵素の反応機構研究

• 研究課題/領域番号: 19K05698
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分37010:生体関連化学
• 研究機関: 兵庫県立大学
• 研究代表者: 柳澤 幸子 兵庫県立大学, 理学研究科, 准教授 (60557982)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2019年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: ヘム酵素 / 二原子酸素添加酵素 / ストップトフロー / 共鳴ラマン / 免疫抑制 / 2原子酸素添加酵素 / stopped-flow / 共鳴ラマン分光法 / 可視紫外吸収分光法 / 紫外可視吸収分光法 / ２原子酸素添加酵素 / ヘムタンパク質 / ジオキシゲナーゼ / ストップトフローラマン

研究開始時の研究の概要

ヒトインドールアミン2,3ジオキシゲナーゼ1(IDO)は, ヘム酵素として唯一の2原子酸素添加反応である, トリプトファン(Trp)主要代謝経路の最初の反応を触媒する誘導タンパク質である. この酸素添加反応は収支として電子とプロトンを必要とせず, ヘム酵素として特異な反応で, 反応機構全容は不明である. 本研究では, ストップトフロー共鳴ラマン分光法を用い, これまでは検出ができなかった‘反応の一部始終’を, 振動スペクトルとして検出することにより, IDO反応機構全容の解明を目指す.

研究成果の概要

ヒトインドールアミン2,3ジオキシゲナーゼ1(IDO)はトリプトファン(Trp)に酸素２原子を添加するヘム酵素である。この反応はヘムによる唯一の二原子酸素添加反応である。その一方で、この反応が免疫抑制に関与することから、IDOは癌の免疫療法のターゲットである。しかしながら反応機構全容は不明である。本研究では反応機構解明を目指し、酵素反応の一部始終を分光学的に追跡して反応中間体の構造と状態について調べた。その結果三者複合中間体が二状態存在し、また次のステップに進むためにTrpが高い反応性をもつことの重要性が示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

IDOは免疫療法のターゲットであり、治療薬としてのIDO阻害剤の探索が盛んに行われている。本研究では、既報の中間体が２状態存在し時間経過に伴って増減する様子を捉え、また、この中間体の安定化の原因を示唆した。中間体が安定に存在することは、活性を低下させる要因であり、阻害剤をデザインする上で有益な情報といえる。同時に、ヘム酵素による唯一のニ原子酸素添加反応の反応機構解明の鍵となる、未検出中間体を検出するための実験をデザインする上でも有益な情報である。

研究成果

• [雑誌論文] A synthetic model for the possible FeIV2(μ-O)2 core of methane monooxygenase intermediate Q derived from a structurally characterized FeIIIFeIV(μ-O)2 complex. (2022)
  • 著者名/発表者名: Mikata, Y., Aono, Y., Yamamoto, C., Nakayama, H., Matsumoto, A., Kotegawa, F., Harada, M., Katano, H., Kobayashi, Y., Yanagisawa, S., Kubo, M., Kajiwara, A., Kodera, M
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 61 号: 2 ページ: 786-790
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c02699
  • 査読あり
• [雑誌論文] Revisiting Alkane Hydroxylation with m‐CPBA (mChloroperbenzoic Acid) Catalyzed by Nickel(II) Complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinke, T., Itoh, M., Wada, T., Morimoto, Y., Yanagisawa, S., Sugimoto, H., Kubo, M., Itoh S.
  • 雑誌名: Chemistry A European Journal 巻: 27 号: 59 ページ: 14730-14737
  • DOI: 10.1002/chem.202102532
  • 査読あり
• [雑誌論文] Short-lived intermediate in N2O generation by P450 NO reductase captured by time-resolved IR spectroscopy and XFEL crystallography (2021)
  • 著者名/発表者名: Nomura, T., Kimura, T., Kanematsu, Y., Yamada, D., Yamashita, K., Hirata, K., Ueno, G., Murakami, H., Hisano, T., Yamagiwa, R., Takeda, H., Gopalasingam, C., Kousaka, R., Yanagisawa, S., Shoji, O., Kumasaka, T., Yamamoto, M., Takano, Y., Sugimoto, H., Tosha, T., Kubo, M., Shiro, Y
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 号: 21
  • DOI: 10.1073/pnas.2101481118
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of the Electron Density of the Heme Fe Atom on the Nature of Fe-O2 Bonding in Oxy Myoglobin (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Yasuhiko、Hasegawa Kazuyasu、Shibata Tomokazu、Momotake Atsuya、Ogura Takashi、Yanagisawa Sachiko、Neya Saburo、Suzuki Akihiro、Kobayashi Yasuhiro、Saito Makina、Seto Makoto、Ohta Takehiro
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 60 号: 2 ページ: 1021-1027
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c03123
  • 査読あり
• [雑誌論文] UV Resonance Raman Characterization of a Substrate Bound to Human Indoleamine 2,3-Dioxygenase 1 (2019)
  • 著者名/発表者名: Sachiko Yanagisawa , Kure’e Kayama , Masayuki Hara , Hiroshi Sugimoto , Yoshitsugu Shiro , Takashi Ogura
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 117 号: 4 ページ: 706-716
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2019.07.017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fundamental electron-transfer and proton-coupled electron-transfer properties of Ru(iv)-oxo complexes (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Kotani, Hinatsu Shimomura, Momoka Horimoto, Tomoya Ishizuka, Yoshihito Shiota, Kazunari Yoshizawa, Sachiko Yanagisawa, Yuka Kawahara-Nakagawa, Minoru Kubo, Takahiko Kojima
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 48 号: 35 ページ: 13154-13161
  • DOI: 10.1039/c9dt02734c
  • NAID: 120007133077
  • 査読あり
• [学会発表] Stopped-flow ラマン・吸収同時測定装置の開発とそれを用 いた IDO 酵素反応追跡の試み (2021)
  • 著者名/発表者名: 河村 味奈、柳澤 幸子、久保 稔
  • 学会等名: 第47回生体分子科学討論会
• [学会発表] ストップトフローラマン・吸収分光計を用いたインドールアミン2,3ジオキシゲナーゼの反応中間体の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 河村 味奈、名定加峰、柳澤 幸子、久保 稔
  • 学会等名: 第59回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Visible resonance Raman study on respiratory supercomplex from bovine heart mitochondria (2019)
  • 著者名/発表者名: Sachiko Yanagisawa, Arisa Yamasaki, Tomomi Nakao, Satoru Shimada, Harunobu Shimomura, Takashi Oguraa and Kyoko Shinzawa-Itoh
  • 学会等名: 7th Georgian Bay International Conference on Bioinorganic Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演