酸素センサーFixL蛋白質の分子内制御機構の解析

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10780392
• 研究機関: 理化学研究所
• 研究代表者: 中村 寛夫 理化学研究所, 生体物理化学研究室, 先任研究員 (80270594)
• キーワード: 酸素センサー / ヒスチジンキナーゼ / 情報伝達系 / ATP / ADP / アロステリックエフェクト

研究概要

酸素適応はすべての生物がもつ細胞応答現象であり、酸素センサーとそれに続く情報伝達系によって支配されている。根粒菌のFixL/FixJタンパク質はtwo component systemに属し、酸素濃度変化をタンパク質リン酸化カスケードを介し伝達することで窒素固定系、嫌気呼吸系遺伝子群の発現制御をおこなう。FixLタンパク質はヘムドメインとヒスチジンキナーゼドメインからなり、センサードメインのヘムで酸素の結合、解離により直接酸素濃度を感知する、文字通り酸素センサーとして明らかとなった唯一のタンパク質である。申請者は
【1】センサータンパク質の初発過程であるリガンド結合を理解する目的でFixLのセンサードメインの全体構造、およびヘム周辺の精密構造の解析を行なった。
【2】大腸菌内で好気および嫌気培養の違いでFixL/FixJ信号伝達系の作動状態をβ-ガラクトシダーゼ活性の変動でモニターできる再構成系をもちいて、FixLタンパク質におけるリガンド結合/解離にはじまる自己リン酸化制御の分子機序明らかにするためにupregulation変異体を単離した。生化学、物理化学的解析により、自己リン酸化部位周辺がキナーゼ活性の卸御およびFixJへのリン酸基転移反応の共役部位であることを明らかにした。
【3】ADPがアロステリックエフェクターとしてFixLタンパク質の酸素親和性を1/4-1/5に低下させることを発見した。また、ADPはリン酸化触媒部位に結合すること明らかにした。FixLタンパク質はホモダイマーでモノマー間のトランスのリン酸基転移によって自己リン酸化されるので、ADPによる親和性の低下は酸素解離によって始まるモノマー間のフリップフロップリン酸化反応を促進させるポジティブフィードバックレギュレーションであると結論した。

研究成果

• [文献書誌] H.Miyatake,M.Mukai,S.Adachi,H.Nakamura,K.Tamura,T.Iizuka,Y.Shiro,R.W.Strange,S.S.Hasnain: "Iron coordination structures of oxygen sensor FixL characterized by Fe K-edge extended X-ray absorption fine structure and resonance Raman spectroscopy"J.Biol.Chem.. 274. 23176-23184 (1999)
• [文献書誌] Y.Isogai,M.Ota,T.Fujisawa,H.Izuno,M.Mukai,H.Nakamura,T.Iizuka,K.Nishikawa: "Design and systhesis of a globin fold"Biochemistry. 38. 7431-7443 (1999)
• [文献書誌] H.Miyatake,M.Kanai,S.Adachi,H.Nakamura,K.Tamura,H.Tanida,T.Tsuchiya,T.Iizuka,Y.Shiro: "Dynamic light-scattering and preliminary crystallographic studies of the sensor domain of the haem-based oxygen sensor FixL from Rhizobium meliloti"Acta Cryst.. D55. 1215-1218 (1999)
• [文献書誌] H.Nakamura,K.Saito,E.Ito,K.Tamura,T.Tsuchiya,K.Nishigaki,Y.Shiro,T.Iizuka: "Identification of the hydorophobic amino acid residues required for heme assembly in the rhizobial oxygen sensor protein FixL"Biochem.Biophys.Res.Commun.. 247. 427-431 (1998)