ビリン還元酵素二状態の高分解能中性子構造解析によるビリベルジン水素化反応の解明

• 研究課題/領域番号: 24570122
• 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: 構造生物化学
• 研究機関: 茨城大学
• 研究代表者: 海野 昌喜 茨城大学, 理工学研究科, 教授 (10359549)
• 連携研究者: 福山 恵一 大阪大学, 大学院工学研究科, 招へい研究員 (80032283) ; 和田 啓 宮崎大学, テニュアトラック推進機構, テニュアトラック准教授 (80379304) ; 玉田 太郎 原子力機構, 量子ビーム, グループリーダー (50391248)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2014年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2013年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2012年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 中性子結晶構造解析 / 酵素 / 水素 / 還元反応 / フィコシアノビリン / コンフォメーション / 還元 / 色素 / 光合成 / 水素原子 / ヒドロニウムイオン / J-PARC / ビリン還元酵素 / 反応機構 / 光合成色素 / 光反応 / 中性子結晶解析 / 回折 / 光応答 / プロトネーション

研究成果の概要

フィコシアノビリンを合成する酵素PcyAとその基質BV（ビリベルジン）との複合体の中性子結晶構造解析を行い、水素原子の可視化に成功した。BVの4つのピロール環の窒素原子全ての近傍に重水素が付加した構造が混在していた。また、ラクチム構造は存在しなかった。Asp105は二重配座をとっていたが、一方のコンフォメーションには水素（重水素）が見られ、もう一方には無かった。His88は水素化しており、その水素がA環のラクタム酸素と水素結合を形成していた。また、His88の近くにヒドロニウムイオン（H3O+）を見出した。さらに、同定できていなかったBV近傍の水分子（H-O-H）の存在と配向が確認できた。

研究成果

• [雑誌論文] Insights into the Proton Transfer Mechanism of a Bilin Reductase PcyA Following Neutron Crystallography. (2015)
  • 著者名/発表者名: Unno, M., Ishikawa-Suto, K., Kusaka, K., Tamada, T., Hagiwara, Y., Sugishima, M., Wada, K., Yamada, T., Tomoyori, K., Hosoya, T., Tanaka, I., Niimura, N, Kuroki, R., Inaka, K., Ishihara, M., Fukuyama, K.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: in press 号: 16 ページ: 5452-5460
  • DOI: 10.1021/jacs.5b00645
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structures of the substrate-free and the product-bound forms of HmuO, a heme oxygenase from Corynebacterium diphtheriae: X-ray crystallography and molecular dynamics investigation (2013)
  • 著者名/発表者名: Unno, M., Ardevol, A., Rovira, C., and Ikeda-Saito, M.
  • 雑誌名: The Journal of Biological Chemistry 巻: 288 号: 48 ページ: 34443-34458
  • DOI: 10.1074/jbc.m113.486936
  • 査読あり
• [学会発表] 中性子結晶構造解析によるフェレドキシン依存性ビリン還元酵素基質複合体の水素化状態可視化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 海野昌喜
  • 学会等名: 第3回物構研サイエンスフェスタ・第6回MLFシンポジウム
  • 発表場所: つくば
  • 年月日: 2015-03-18
  • 招待講演
• [学会発表] Protonation States of a Bilin Reductase PcyA Following Neutron Crystallography (2015)
  • 著者名/発表者名: Masaki UNNO
  • 学会等名: The 2nd Ibaraki University-Kasetsart University Symposium
  • 発表場所: 水戸
  • 年月日: 2015-02-17
  • 招待講演
• [学会発表] 中性子結晶構造解析によるフェレドキシン依存性ビリン還元酵素－基質複合体の水素化状態可視化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 海野昌喜、須藤久美子、日下勝弘、玉田太郎、萩原義徳、杉島正一、和田啓、山田太郎、石原真樹子、福山恵一
  • 学会等名: 平成26年度日本結晶学会年会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-11-03
• [学会発表] 中性子解析でビリン還元酵素PcyAの特異なプロトン化反応を見る (2014)
  • 著者名/発表者名: 海野昌喜
  • 学会等名: 平成25年度茨城県ビームラインCROSSトライアルユース成果報告会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-10-22
  • 招待講演
• [学会発表] フェレドキシン依存性ビリン還元酵素PcyAの中性子結晶構造解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 海野昌喜
  • 学会等名: BioJapan 2014
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2014-10-15
• [学会発表] Neutron Structure of Phycocyanobilin:oxidoreductase Complexed with Biliverdin (2014)
  • 著者名/発表者名: Masaki Unno, Kumiko Ishikawa-Sudo, Katsuhiro Kusaka, Taro Tamada, Yoshinori Hagiwara, Masakazu Sugisima, Kei Wada, Taro Yamada, Katsuaki Tomoyori, Takaaki Hosoya, Ichiro Tanaka, Nobuo Niimura, Ryota Kuroki, Koji Inaka, Makiko Ishihara, and Keiichi Fukuyama
  • 学会等名: 23rd Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography
  • 発表場所: Montreal
  • 年月日: 2014-08-09
• [学会発表] 中性子結晶構造解析で見るフェレドキシン依存性ビリン還元酵素PcyAの水素化状態 (2014)
  • 著者名/発表者名: 海野昌喜、須藤久美子、日下勝弘、玉田太郎、萩原義徳、杉島正一、和田啓、山田太郎、石原真樹子、福山恵一
  • 学会等名: 第41回生体分子科学討論会
  • 発表場所: 福岡
  • 年月日: 2014-06-07
• [学会発表] フェレドキシン依存性ビリン還元酵素の水素化反応機構を解明するために (2013)
  • 著者名/発表者名: 海野昌喜
  • 学会等名: 第二回iBIX研究会（2013）
  • 発表場所: 東海村
• [学会発表] Structural studies of heme oxygenase unravel catalytic reaction mechanism (2013)
  • 著者名/発表者名: Masaki Unno
  • 学会等名: International Symposium of Homogeneous Chemical Reactivity
  • 発表場所: 水戸
• [図書] Integrating Approach to Photofunctional Hybrid Materials for Energy and the Enviroment (2013)
  • 著者名/発表者名: Masaki Unno, Masakazu Sugishima, Kei Wada, Keiichi Fukuyama
  • 総ページ数: 173
  • 出版者: Nova Publishers, NY
• [図書] Integrating Approach to Photofunctional Hybrid Materials for Energy and the Environment (2013)
  • 著者名/発表者名: Masaki UNNO
  • 総ページ数: 173
  • 出版者: Nova Science Publishers inc.
• [備考] 茨城大学大学院理工学研究科 海野昌喜
  • URL: http://info.ibaraki.ac.jp/Profiles/19/0001860/profile.html
• [備考] 海野昌喜研究室
  • URL: http://www.fas.ibaraki.ac.jp/?page_id=827
• [備考] 茨城大学研究者総覧
  • URL: http://info.ibaraki.ac.jp/Profiles/19/0001860/profile.html
• [備考] 研究室HP
  • URL: http://www.fas.ibaraki.ac.jp/?page_id=827
• [備考] 茨城大学フロンティア応用原子科学研究センター 海野研究室
  • URL: http://www.fas.ibaraki.ac.jp/?page_id=827