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2019 年度 実績報告書

生命金属動態を鍵反応とするセンサー分子システムの構築と生理機能制御

計画研究

研究領域「生命金属科学」分野の創成による生体内金属動態の統合的研究
研究課題/領域番号 19H05762
研究機関大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究

研究代表者

青野 重利  大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 教授 (60183729)

研究期間 (年度) 2019-06-28 – 2024-03-31
キーワード水素センサータンパク質 / ヒドロゲナーゼ / ニッケル-鉄二核金属錯体
研究実績の概要

水素センサー/水素代謝酵素として機能すると考えられているNi-Fe型ヒドロゲナーゼは、Ni-Fe二核金属錯体をセンサーモジュールとして利用している。本二核金属錯体のFeに配位しているCOおよびCNは、酵素反応により生合成されている。本年度の研究では、COの生合成を触媒する酵素HypXの結晶構造解析に成功した。得られた構造情報をもとに、HypXによるCO生合成反応の分子機構を提案した。HypXは、N末ドメイン(residues 1-270)とC末ドメイン(residues 289-542)がループにより連結された構造を有しており、分子内部にはこれら二つのドメインにまたがる形で大きなキャビティーが存在していた。C末ドメイン側のキャビティーには、補酵素A(coenzyme A: CoA)が結合していた。
N末ドメインは、ホルミル基転移反応を触媒する酵素との構造相同性があることが分かった。ホルミル基転移反応を触媒する酵素においてcatalytic triadと呼ばれる3つのアミノ酸残基(ホルミル基転移反応の触媒残基として機能する)は、HypXにおいても対応する位置(His74, Asp80, Asp109)に保存されていた。これらの結果より、HypXにおいてもN10-formyl-THFを基質(ホルミル基供与体)とするホルミル基転移反応が進行し、ホルミルCoAが生成するものと考えられる。ホルミルCoAは、末端ホルミル基がC末ドメイン中に位置するようにHypX中のキャビティー内でコンフォメーション変化する。C末ドメインにおいてホルミルCoAの脱ホルミル化反応が進行することによりCOが生成するものと考えられる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究では、遷移金属を構成要素とするセンサーモジュールを有したセンサータンパク質の生合成過程におけるセンサーモジュールの構築とタンパク質部分への組込みの詳細な分子機構を解明することにより、細胞内生命金属動態制御を鍵反応とするセンサー分子システムの構築原理を理解し、センサーモジュールによる気体分子センシングの動的過程、気体分子センシングにおいて誘起されるタンパク質構造変化・機能制御を各種分光学的測定、結晶構造解析、生化学・分子生物学的解析によって明らかにすることを目的としている。本年度の研究においては、水素センサータンパク質の水素センサーモジュールの生合成に関与するHypXの結晶構造解析にも成功しており、これまで不明であったCO生合成反応の反応機構を明らかにできたことは特筆に値する成果であると言える。これらの成果を総合すると、本研究はおおむね順調に進捗しているものと判断される。

今後の研究の推進方策

今後の研究では、水素センサータンパク質生合成過程において、一連のアクセサリータンパク質がどのような組合せ・順番で反応することによりセンサータンパク質が合成されるのか、その詳細な分子機構の解明を行う。そのために、X線小角散乱、および結晶構造解析を用いたアクセサリータンパク質複合体の構造解析、アクセサリータンパク質からRHへのセンサーモジュール輸送反応過程の解析を計画している。
また今後は、走化性制御系におけるヘムを利用した酸素センサーシステムの構造機能相関解明に向けた研究にも取り組む予定である。細菌の走化性制御システムは、外部環境シグナルのセンサーとして機能するシグナルトランスデューサータンパク質(MCP)と、MCPからのシグナルを鞭毛モーターに伝達する一連のシグナル伝達タンパク質(CheA, CheW, CheY等)から構成されている。本研究では、酸素に対する走化性(Aerotaxis)制御系において、ヘムを酸素センサーモジュールとして利用しているMCPである酸素センサータンパク質HemATを対象とし、本システムにおける酸素センシングならびにシグナル伝達反応の分子機構解明を目的として研究を実施する。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2019

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 5件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Structural characterization of HypX responsible for CO biosynthesis in the maturation of NiFe-hydrogenase2019

    • 著者名/発表者名
      Norifumi Muraki, Kentaro Ishii, Susumu Uchiyama, Satoru G. Itoh, Hisashi Okumura, and Shigetoshi Aono
    • 雑誌名

      Commun. Biol.

      巻: 2 ページ: 385 (12 pages)

    • DOI

      10.1038/s42003-019-0631-z

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Structural basis for heme transfer reaction in heme uptake machinery from Corynebacteria2019

    • 著者名/発表者名
      Norifumi Muraki, Chihiro Kitatsuji, Yasunomi Okamoto, Takeshi Uchida, Koichiro Ishimori, and Shigetoshi Aono
    • 雑誌名

      Chem. Commun.

      巻: 55 ページ: 13864-13867

    • DOI

      10.1039/C9CC07369H

    • 査読あり
  • [学会発表] ヘムが関与する生体内シグナルセンシングおよびシグナル伝達2019

    • 著者名/発表者名
      青野重利
    • 学会等名
      同志社大学ナノ・バイオサイエンス研究センター 私大戦略「細胞自在操作のための分子化学技術の開発拠点形成」成果報告会
    • 招待講演
  • [学会発表] NiFeヒドロゲナーゼの活性中心に必須なCOの生合成を担うHypXの構造基盤2019

    • 著者名/発表者名
      村木則文、青野重利
    • 学会等名
      第19回日本蛋白質科学会年会/第71回日本細胞生物学会大会合同年次大会
  • [学会発表] 病原菌の鉄獲得システムで機能するヘムセンサー蛋白質の多機能性とその構造的機序2019

    • 著者名/発表者名
      西永惠、長井聖奈、村木則文、青野重利、杉本宏、城宜嗣、澤井仁美
    • 学会等名
      第19回日本蛋白質科学会年会/第71回日本細胞生物学会大会合同年次大会
  • [学会発表] ヒドロゲナーゼ成熟化において一酸化炭素生合成を担うHypXの結晶構造解析2019

    • 著者名/発表者名
      村木則文、青野重利
    • 学会等名
      日本結晶学会年会
  • [学会発表] Mechanism of CO biosynthesis for the maturation of [NiFe] hydrogenase revealed by crystal structure of HypX2019

    • 著者名/発表者名
      N. Muraki, S. Aono
    • 学会等名
      15th International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural basis for the assembly of the NiFe-dinuclear active site in [NiFe]-Hydrogenases2019

    • 著者名/発表者名
      S. Aono, N. Muraki
    • 学会等名
      7th International Symposium on Metallomics
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural Characterization of HypX Responsible for CO Biosynthesis in the Maturation of [NiFe]-Hydrogenases2019

    • 著者名/発表者名
      S. Aono
    • 学会等名
      Frontier Bioorganization Forum 2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Structural analysis of HypX responsible for CO production in the maturation of a [NiFe]-hydrogenase2019

    • 著者名/発表者名
      N. Muraki, S. Aono
    • 学会等名
      19th International Conference on Biological Inorganic Chemistry (ICBIC-19)
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural Characterization of HypX Responsible for CO Biosynthesis to assemble the active site of [NiFe]-Hydrogenase2019

    • 著者名/発表者名
      S. Aono
    • 学会等名
      2019 Korea-Taiwan-Japan Biological Inorganic Chemistry Symposium
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2021-01-27  

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