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2011 年度 実績報告書

ホタルルシフェラーゼによるπ空間制御機構の解明

計画研究

研究領域高次π空間の創発と機能開発
研究課題/領域番号 20108016
研究機関京都大学

研究代表者

中津 亨  京都大学, 薬学研究科, 准教授 (50293949)

キーワードルシフェラーゼ / 発光反応 / X線結晶構造解析 / ルシフェリン / オキシルシフェリン / 励起状態
研究概要

ホタルによる黄緑色の発光は、酵素であるルシフェラーゼの中で発光基質ルシフェリンとATP、酸素が反応し、励起状態のオキシルシフェリンが生成し、基底状態に戻るときに生じる。この発光色は不思議なことに酵素であるルシフェラーゼのわずか1アミノ酸を変化させるだけで赤色に変化する。この仕組みを詳細に検討するためには野生型のルシフェラーゼ以外に特徴を持った発光色変異体の研究を併せて行うが必要となる。
最近この発光色を決定する要因としてオキシルシフェリンのベンゾチアゾール基の6位が脱プロトン化され、さらには水素結合の重要性が示唆されている。しかしこの部分は立体構造から直接ルシフェラーゼのアミノ酸が水素結合しておらず、水を介した水素結合が生じていることがわかっている。この結合に関わっているN231についてAla,Aspへ変異させ、そのスペクトルと立体構造を決定し比較した。その結果、発光スペクトルはほとんど同じスペグトルを示し、立体構造も野生型でオキシルシフェリンとの水素結合に関わっている水分子が2つ観測されなかった。Ala,Aspという全く異なる性質のアミノ酸に変化させているにも関わらず、発光色が変化しなかったことを考えると、rオキシルシフェリンとの水素結合ネットワークが発光色に重要であることが示唆された。またR220A変異体についても発光スペクトルはN231変異体と同じであった。また構造解析の結果、場所はN231変異体とは異なるものの2つの水分子が観測されなかった。このことから水素結合ネットワークは黄緑色発光には必要不可欠な構造であることが判明した。

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

本研究の目的はルシフェラーゼがどのようにして発光反応させる空間を制御しているのかを立体構造的に明らかにすることである。そこで発光色を変化させる変異体を作成しその立体構造と発光色の関係性を明らかにした。この結果から発光色を変化させる、すなわち本来の黄緑色に発光させるために必要な機構について明らかにすることが立体構造の観点から示唆できた。

今後の研究の推進方策

より詳細な発光に関する情報を得るためには、スペクトルの詳細な成分解析および量子収率を求めていく必要がある。すでに野生型では発光スペクトルは3成分から成り立ち、量子収率は約41%であることが知られている。そこで構造と発光色の関係を明らかにした変異体について詳細がわかれば、より詳細な制御機構が明らかにできると予想される。しかしながら立体構造からはある平均の構造もしくはある特定のスペクトルを示す構造しか得られないと推測されるため、理論計算により構造とスペクトルの関係性を明らかにできないかを探る必要がある。

  • 研究成果

    (4件)

すべて 2012 2011

すべて 学会発表 (4件)

  • [学会発表] 結晶状単層カーボンナノチューブ集合体の作製とその物性2012

    • 著者名/発表者名
      工藤光、柳和宏、小林春花、末永和知、蓬田陽平、竹延大志、吉宗良祐、中津亨
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 発表場所
      関西学院大学(兵庫県)
    • 年月日
      2012-03-25
  • [学会発表] Production of Crystalline SWCNT aggregates2012

    • 著者名/発表者名
      Hikaru Kudo, Kazuhiro Yanagi, Kazutomo Suenaga, Haruka Kobayashi, Taishi Takenobu, Yohei Yomogida、Kunio Hirata, Ryosuke Yoshimune, Toru Nakatsu
    • 学会等名
      フラーレンナノチューブグラフェン総合シンポジウム
    • 発表場所
      東京大学(東京都)
    • 年月日
      2012-03-08
  • [学会発表] ゲンジボタルルシフェラーゼの発光色制御メカニズムの解明2011

    • 著者名/発表者名
      寺角香菜子、吉宗良祐、五味恵子、梶山直樹、池内秀幸、平竹潤、加藤博章、中津亨
    • 学会等名
      日本結晶学会
    • 発表場所
      北海道大学(北海道)
    • 年月日
      2011-11-25
  • [学会発表] Crystal structure of Pex3p-Pex19p complex from methylotrophic yeast Pichia pastoris2011

    • 著者名/発表者名
      Hirai Hidenori, Kyoko Fukushima-Egawa, Hiroyuki Shibata, Toru Nakatsu, Hiroaki Kato
    • 学会等名
      日本蛋白質科学会年会
    • 発表場所
      ホテル阪急エキスポパーク(大阪府)
    • 年月日
      2011-06-08

URL: 

公開日: 2013-06-26  

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