ヘム結合型酸素センサーキナーゼの酸素センシングとリン酸化シグナリングの分子機構

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12147210
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所
• 研究代表者: 中村 寛夫 独立行政法人理化学研究所, 生体物理化学研究室, 先任研究員 (80270594)
• 研究分担者: 城 宜嗣 独立行政法人理化学研究所, 生体物理化学研究室, 主任研究員 (70183051)
• キーワード: 酸素センサー / リン酸化 / ヘム / 二成分情報伝達系 / 根粒菌 / 酸素適応 / 環境 / 遺伝子発現

研究概要

細菌や菌類、植物は光、酸素、栄養などの環境変化を感知するために「二成分情報伝達系」と呼ばれる情報伝達系を用いる。「二成分情報伝達系」はセンサーヒスチジンキナーゼ(HK)とレスポンスレギュレーター(RR)から成り、両者間のATP依存性のリン酸基転移反応を介して細胞内情報伝達が行われる。現在、数百種もの二成分情報伝達系遺伝子があきらかになっているものの、HKの環境因子(リガンド)結合に共役した自己リン酸化反応の制御やリン酸基受容によるRRの活性化といったタンパク質レベルでのスイッチングのメカニズムは依然不明のままである。
我々はリガンド結合の研究に有利なセンサードメインにヘムをもつ根粒菌のヘム結合型酸素センサーFixL/FixJタンパク質を二成分情報伝達系研究のパラダイムとしている。我々は大腸菌内で、FixL/FixJ発現系とfixK-lacZレポーター系を構築し、FixLおよびFixJの機能変異体を単離し、変異体解析によって、両タンパク質の機能性アミノ酸残基を明らかにした。また、FixLが酸素によって自己リン酸化が抑制されるが、一酸化炭素、一酸化窒素では抑制されないことを明らかにした。
我々はFixL/FixJにおける情報伝達のフィードバックを検証する過程で、ADPがFixLの酸素親和性をおよそ5倍低下させることを発見した。このアロステリック効果にはFixJを要求すること、また、ADP結合部位はリン酸化反応を行う時にATPが結合する部位と同じであることがわかった。これらを総合して、FixL/FixJのリン酸化反応の「2気筒レシプロエンジンモデル」を提案した。このモデルはHKの2量体の必然性を示し、また、リガンド感知に伴い、HKがRRを効率良くリン酸化することを矛盾なく説明している。
さらに、ヘムが細胞に取り込まれる過程を蛍光類似体である亜鉛ポルフィリンを用いて観察し、ヘム受容体もしくはヘム輸送体タンパク質が細胞膜にあることを検証した。

研究成果

• [文献書誌] Hiro Nakamura, Hideyuki Kumita, Kiyohiro Imai, Tetsutaro Iizuka, Yoshitsugu Shiro: "ADP reduces the oxygen binding affinity of a sensory histidine kinase FixL : The possibility of an enhanced reciprocating kinase reaction."Proc.Natl.Acad.Sci.USA. (In press). (2004)
• [文献書誌] Takaya, N., Kuwazaki, S., Adachi, Y., Suzuki, S., Kikuchi, T., Nakamura, H., Shiro, Y., Shoun, H.: "Hybrid Respiration in the Denitrifying Mitochondria of Fusarium oxysporum."J.Biochem.(Tokyo). 133・4. 461-465 (2003)
• [文献書誌] Satoru Akimoto, Atsunari Tanaka, Kayako Nakamura, Yoshitsugu Shiro, Hiro Nakamura: "O_2 specific regulation of the ferrous heme-based sensor kinase FixL from Sinorhizobium meliloti and its aberrant inactivation in the ferric form."Biochem.Biophys.Res.Commun.. 304. 136-142 (2003)
• [文献書誌] Ken Saito, Eiichi Ito, Kaito Hosono, Kayako Nakamura, Kiyohiro Imai, Tetsutaro Iizuka, Yoshitsugu Shiro, Hiro Nakamura: "The uncoupling of oxygen sensing, phosphorylation signaling and transcriptional activation in oxygen sensor FixL and FixJ mutants."Mol.Microbiol. 48. 373-383 (2003)
• [文献書誌] Hideyuki Kumita, Seiji Yamada, Hiro Nakamura, Yoshitsugu Shiro: "Chimeric sensory kinases containing O2 sensor domain of FixL and histidine kinase domain from thermophile."Biochim.Biophys.Acta. 1646. 136-144 (2003)