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2018 年度 実績報告書

無酸素環境を利用した鉄硫黄クラスターの生合成機構および新規機能の解析

研究課題

研究課題/領域番号 16H04754
研究機関宮崎大学

研究代表者

和田 啓  宮崎大学, 医学部, 准教授 (80379304)

研究分担者 高橋 康弘  埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (10154874)
藤田 祐一  名古屋大学, 生命農学研究科, 教授 (80222264)
福山 恵一  大阪大学, 工学研究科, 招へい研究員 (80032283)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2020-03-31
キーワード鉄硫黄クラスター / 結晶構造 / 無酸素実験
研究実績の概要

鉄硫黄クラスター(Fe-S)は、酸素に脆弱なタンパク質コファクターである。Fe-S クラスターが生体内において、どこでどのように生合成されるのか、その分子機構解明は遅々として進んでいない。この原因は、Fe-S クラスターの酸素へ不安定性にあり、遺伝学的には生合成マシナリー群は同定されたものの、合成途上のクラスターを実験的に捉えた例は皆無である。
本課題では、細胞内をミミックした無酸素条件下での機能解析を遂行し、クラスター合成反応を試験管内でコントロールする新たな系(無細胞"ex situ"系)を確立することを目指している。さらに、ダイナミックな構造変化を伴う生合成コア複合体の動きを固定・制御することで、多段階に亘る合成途上の中間体クラスターをトラップし、それらの配位構造から生合成メカニズムを解き明かす。また、無細胞クラスター合成系を利用した新規センサーFe-S タンパク質 CnfR の構造機能解析も展開する。これらの目的を達成するために、本年度は以下の項目を実施した。

・前年度に明らかにしたコア複合体内部の硫黄トンネルの実証を進めた。コア複合体の硫黄結合部位を実験的に決定するために、硫黄結合型コア複合体構造の決定を進めた。硫黄化合物のコア複合体へのソーキングを行い、これまでに幾つかの条件での立体構造を決定した。
・ゲルシフト法を用いて、CnfRに結合するDNA配列決定を進め、CnfRに結合する約30bp前後のDNA断片を得ることに成功した。
・前年度までに精製系を確立したFe-Sクラスター結合CnfRを用いて、結晶化スクリーニングを行った。幾つかの条件において微結晶を得ることができた。これらの結晶をSPring-8 BL32XUにおいて回折能をチェックしたところ、約10A分解能の反射を確認することができている。

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

本年度の予定では、(1)コア複合体構造解析による硫黄結合部位、(2)CnfRが結合するDNA断片の最小化を掲げていた。両項目共に、順調に解析が進んでいる。

今後の研究の推進方策

本課題では無酸素条件下/試験管内でクラスター合成を人為的にコントロールする無細胞実験系を確立する。これにより、一過的なFe-Sクラスターがコア複合体の中で段階的に組み上がる過程(配位子スワッピングを予想)を捕捉する。合成ステップ毎の構造を決定することで、材料である硫黄原子、鉄原子および還元力(e-)が、どのように供給され変換されるのかを可視化する。 また、新規センサータンパク質CnfRについて、その構造と機能の相関を解き明かすことを目的としている。
・Fe-S結合型コア複合体の結晶化スクリーニングを無酸素条件下で進めることで、ホロ型SufBCD複合体の構造決定を目指す。
・鉄または硫黄源の存在下におけるコア複合体の構造解析を行い、鉄・硫黄の供給経路を明らかにする。
・CnfRに変異を導入することでFe-Sクラスターの安定性向上を図り、結晶化スクリーニングを実施する。
・CnfR-DNA複合体の結晶化スクリーニングを実施し、CnfRのDNA結合構造から機能を推定する。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Crystal structure of a NADPH-cytochrome P450 oxidoreductase(CYPOR) and heme oxygenase 1 fusion protein implies a conformation change in CYPOR upon NADPH/NADP+ binding2019

    • 著者名/発表者名
      Sugishima M., Sato H., Wada K., Yamamoto K.
    • 雑誌名

      FEBS Lett

      巻: 593 ページ: 868-875

    • DOI

      10.1002/1873-3468.13360

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Crystal Growth of a Bilin Reductase PcyA I86D Mutant-Substrate Complex for Neutron Crystallography2018

    • 著者名/発表者名
      Keisuke Igarashi, Yoshinori Hagiwara, Masakazu Sugishima, Kei Wada, Keiichi Fukuyama, Atsushi Ikeda,Naomine Yano, Katsuhiro Kusaka, Andreas Ostermann, Masaki Unno
    • 雑誌名

      Crystal Growth & Design.

      巻: 18 ( 9 ) ページ: 5181 - 5181

    • DOI

      10.1021/acs.cgd.8b00607

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Recent Advances in the Understanding of the Reaction Chemistries of the Heme Catabolizing Enzymes HO and BVR Based on High Resolution Protein Structures2018

    • 著者名/発表者名
      Sugishima M, Wada K, Fukuyama K.
    • 雑誌名

      Current Medicinal Chemistry

      巻: 26 ページ: -

    • DOI

      10.2174/0929867326666181217142715

    • 査読あり
  • [学会発表] SACLAを利用したPcyA-BV複合体のX線と中性子構造の矛盾点の解決に向けた研究2019

    • 著者名/発表者名
      池田篤史、平田邦生、杉島正一、萩原義徳、和田啓、福山恵一、山下恵太郎、吾郷日出夫、海野昌喜
    • 学会等名
      2018年度 量子ビームサイエンスフェスタ
  • [学会発表] Bacillus thermoproteolyticusフェレドキシンの結晶大型化と中性子構造解析2019

    • 著者名/発表者名
      小林賢二、和田啓、福山恵一、矢野直峰、日下勝弘、海野昌喜
    • 学会等名
      2018年度量子ビームサイエンスフェスタ
  • [学会発表] Novel insights into bacterial Fe-S cluster biosynthesis systems2018

    • 著者名/発表者名
      Nao Yokoyama, Takashi Fujishiro, Eiki Yuda1, Naoyuki Tanaka, Kei Hirabayashi, Kei Wada, and Yasuhiro Takahashi
    • 学会等名
      Iron-Sulfur Proteins―Biogenesis, Regulation and Function 39th Steenbock Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Structural and functional analyses of E. coli SufBCD complex2018

    • 著者名/発表者名
      Eiki Yuda, Kei Hirabayashi, Naoyuki Tanaka, Takashi Fujishiro, Nao Yokoyama, Keiichi Fukuyama, Yasuhiro Takahashi and Kei Wada
    • 学会等名
      Iron-Sulfur Proteins―Biogenesis, Regulation and Function 39th Steenbock Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] 基質を2分子結合したヒドロキシメチルビラン合成酵素のX線結晶構造解析2018

    • 著者名/発表者名
      佐藤秀明,杉島正一、塚口舞、増子隆博、小俣義明、和田啓、久枝良雄、山本健
    • 学会等名
      第18回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] NADP添加によるNADPH-シトクロムP450還元酵素とヘムオキシゲナーゼ間の相互作用増大の構造的要因2018

    • 著者名/発表者名
      杉島正一、佐藤秀明、和田 啓、平 順一、 坂本 寛、山本 健
    • 学会等名
      平成30年度日本生化学会九州支部例会
  • [学会発表] 鉄硫黄クラスター生合成マシナリーの構造・機能解析2018

    • 著者名/発表者名
      和田啓
    • 学会等名
      第16回レドックス・ライフイノベーションシンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 2分子の基質を結合したヒトヒドロキシメチルビランシンターゼの結晶構造2018

    • 著者名/発表者名
      佐藤 秀明, 杉島 正一, 塚口 舞, 増子 隆博, 小俣 義明, 和田 啓, 久枝 良雄, 山本 健
    • 学会等名
      第91回日本生化学会大会
  • [学会発表] 無酸素実験環境を利用した鉄硫黄クラスター結合タンパク質の精製および構造・機能解析2018

    • 著者名/発表者名
      和田 啓、綛田 紀子、上村 紀子、元山 祐美子、髙尾 春奈、福山 恵一、藤田 祐一、高橋 康弘
    • 学会等名
      第91回日本生化学会大会
  • [学会発表] 超高熱性細菌の鉄硫黄クラスター生合成蛋白質群のX線結晶構造解析2018

    • 著者名/発表者名
      國近 航平、藤城 貴史、山川 誠、平林 佳、岩永 朋子、福山 恵一、和田 啓、高橋 康弘
    • 学会等名
      第91回日本生化学会大会
  • [学会発表] 生命活動に必須な金属補因子である鉄硫黄クラスターの組立における硫黄源の供給機構2018

    • 著者名/発表者名
      湯田瑛樹、平林佳、田中尚志、藤城貴史、横山奈央、 福山恵一、湯井敏文、高橋康弘、和田啓
    • 学会等名
      日本結晶学会2018年度年会
  • [学会発表] CPR-HO人工融合タンパク質の結晶構造2018

    • 著者名/発表者名
      杉島正一、佐藤秀明、和田 啓、平 順一、坂本 寛、山本 健
    • 学会等名
      日本結晶学会2018年度年会
  • [学会発表] Crystal structure of the substrate bound form of biliverdin reductase with unpredicted substrate-stacked geometry revealed unique reaction mechanism2018

    • 著者名/発表者名
      Haruna, Takao; Kei, Hirabayashi; Jiro, Harada; Hideaki, Sato; Keiichi, Fukuyama; Masakazu, Sugishima; Kei, Wada
    • 学会等名
      ASIAN CRYSTALLOGRAPHIC ASSOCIATION CONFERENCE (ASCA)
    • 国際学会

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公開日: 2019-12-27  

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