イソプレノイド生合成におけるプレニル鎖延長酵素の触媒機能発現機構

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12480169
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 古山 種俊 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (20089808)
• 研究分担者: 張 元偉 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (10302241) ; 大谷 典正 山形大学, 理学部, 講師 (40302286)
• キーワード: プレニル鎖延長酵素 / ウンデカプレニル二リン酸 / プレニルトランスフェラーゼ / イソプレノイド / ファルネシルニリン酸 / X線結晶構造解析 / 部位特異的変位導入 / 基質結合部位

研究概要

シス型プレニル鎖延長酵素として始めて研究代表者らがクローン化した、Micrococcus Iuteus B-P26のウエンデカプレニル二リン酸合成酵素(UPS)のX線構造解析を進め、2.2Aの分解能でホモ二量体構造の立体構造の解明に成功した。このUPSのコア構造は6本のβ-シートにより形成される、全く新しい折り畳み構造であった。興味深いことに、トランス型プレニル鎖延長の酵素のファルネシル二リン酸(FPP)合成酵素をはじめとする、イソプレノイド生合成関連の酵素の立体構造がα-ヘリックスのみによって構成される"Isoprenoide Synthase Fold"と提唱されている共通の立体構造を持っているのに対し、このUPSはβ-構造の多い、新規な折り畳み構造であることが分かった。
部位特異的変位導入実験により、29D,33R,80R,77N,78W,などの保存残基がアリル性基質の結合に重要であることが明らかになった他、結晶構造解析でリン酸基の結合モチーフとして示唆されたP-ル-プ構造がアリル性基質のFPPの二リン酸部の結合に関与しており、特に33位のアルギニンが直接に結合していることが判明した。さらに42位のアルギニンも結合に重要であり、他の生物由来の酵素で32位のグリシンと相補的な関係にあることも明らかになった。シス型鎖延長酵素反応が1回起こって生成されるシスーゲラニルゲラニル二リン酸(Z-GGPP)は各変位導入酵素に対し、FPPと全く異なるK_m値を与えることが明確になり、反応中間体となるZ-GGPPはP-ループとは結合せず、全く別の結合部位が存在する可能性を明らかにした。
さらに、197R,203R,216E,73F,74Sがホモアリル性基質IPPの結合に関与している保存性残基として同定され、これらの残基はいずれも触媒活性発現にも非常に重要であることが明らかとなった。

研究成果

• [文献書誌] M.Fujjihasashi, Y-W.Zhang, Y.Higuchi, X-Y.Li, T.Koyama, K.Miki: "Cryatal Structure of cis-Prenyl Chain Elongating Enzyme, Undecaprenyl Diphosphate Synthase"Proc. Natl. Acad. Sci., U.S.A.. 98. 4337-4342 (2001)
• [文献書誌] Y.Kharel, Y-W.Zhang, M.Fujihashi, K.Miki, T.Koyama: "Identification of Significant Residues for Homoallylic Substrate Binding of Micrococcus luteus B-P 26 Undecaprenyl Diphosphate Synthase"J. Biol. Chem.. 276. 28459-28464 (2001)
• [文献書誌] M.Nagaki, K.Kimura, H.Kimura, Y.Maki, E.Goto, T.Nishino, T.Koyama: "Artificial Substrates of Medium-Chain Elongation Enzymes, Hexaprenyl-and Heptaprenyl Diphosphate Synthases"Bioorg. Med, Chem. Lett.. 11. 2157-2159 (2001)
• [文献書誌] N.Ohaya, T.Koyama: "Biopolymers, Volume 2, Polyisoprenoids Chapter 4. Biosynthesis of Natural Rubber and Other Natural Polyisoprenoids"Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim. 37 (2001)
• [文献書誌] Y.-W.Zhang, T.Koyama: "Biopolymers, Volume 2, Polyisoprenoids Chapter 5. Biosynthesis Routes Diverting from Intermediates of Polyisoprenoid Biosynthesis to Related Products of the Metabolism"Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim. 40 (2001)