短寿命な気体分子・呼吸酵素複合体の結晶構造から明らかにする呼吸機能の進化

2009 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 19310147
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生物分子科学
• 研究機関: 鳥取大学
• 研究代表者: 永野 真吾 鳥取大学, 工学研究科, 教授 (60286440)
• 研究期間 (年度): 2007 – 2009
• キーワード: 呼吸 / 分子進化 / ヘム / 窒素循環

研究概要

酸素を使わない嫌気呼吸において機能する一酸化窒素還元酵素(NOR)は、酸素を使った好気呼吸の鍵酵素シトクロム酸化酵素(CcO)と進化的な類縁関係が指摘されている膜酵素である。本研究では、NORへ電子を与える物質が異なる二種類の酵素(cNOR,qNOR)の結晶構造を世界に先駆けて決定した。これらの酵素はいずれもCcOと全体構造や金属中心の配置がよく類似しており、構造からも呼吸酵素の進化的類縁関係が示された。シトクロムcから電子を受け取り反応を行うcNORでは、一酸化窒素の還元に使われるプロトンは膜の外側から供給されると考えられる。しかし、キノールから電子を受け取るqNORでは、同様のプロトン供給経路は見出されず、逆に膜の内側から活性部位へと通じたチャネルが見いだされた。これらの知見は反応に必要なプロトンの供給経路には、呼吸酵素の中で多様性が存在することを示唆している。本研究で決定されたNORの結晶構造は、嫌気呼吸酵素の理論的な解析の重要な基盤となるとともに、呼吸酵素の分子進化や機能変換の仕組みを解き明かすうえで重要な指針を与えるであろう。

研究成果

• [雑誌論文] Structural Basis of Biological N_20 Generation by Bacterial Nitric Oxide Reductase (2011)
  • 著者名/発表者名: Hino, T., Matsumoto, Y., Nagano, S., Sugimoto, H., Fukumori, Y., Murata, T., Iwata, S., Shiro, Y.
  • 雑誌名: Science 330 ページ: 1666-1670
  • 査読あり
• [雑誌論文] Understanding substrate misrecognition of hydrogen peroxide dependent cytochrome P450 from Bacillus subtilis (2010)
  • 著者名/発表者名: Shoji, O., Fujishiro, T., Nagano, S., Tanaka, S., Hirose, T., Shiro, Y., Watanabe, Y.
  • 雑誌名: J.Biol.Inorg.Chem. 2010, 15 ページ: 1331-1339
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical and Experimental Studies of the Conversion of Chromopyrrolic Acid to an Antitumor Derivative by Cytochrome P450 StaP : The Biological Role of Water Molecules (2009)
  • 著者名/発表者名: Wang, Y., Chen, H., Makino, M., Shiro, Y., Na ang o, S., Asamizu, S., Onaka, H., Sason, S.
  • 雑誌名: J. Am.Chem.Soc 131 ページ: 6748-6762
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electron transfer activation of chromopyrrolic acid by cytochrome P450 En route to the formation of an antitumor indolocarbazole derivative : Theory supports experiment (2008)
  • 著者名/発表者名: Wang, Y., Hirao, H., Chen, H., Onaka, H., Nagano, S., Shaik, S.
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 130 ページ: 7170-7171
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular design of heteroprotein assemblies providing a bionanocup as a chemical reactor (2008)
  • 著者名/発表者名: Koshiyama, T., Yokoi, N., Ueno, T., Kanamaru, S., Nagano, S., Shiro, Y., Arisaka, F., Watanabe, Y.
  • 雑誌名: Small 4 ページ: 50-54
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal structure of VioE, a key player in the construction of the molecular skeleton of violacein (2008)
  • 著者名/発表者名: Hirano, S., Asamizu, S., Onaka, H., Shiro, Y., Nagano, S.
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 283 ページ: 6459-6466
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal structures and catalytic mechanism of cytochrome P450 StaP that produces the indolocarbazole skeleton (2007)
  • 著者名/発表者名: Makino, M., Sugimoto, H., Shiro, Y., Asamizu, S., Onaka, H., Nagano, S.
  • 雑誌名: Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 104 ページ: 11591-11596
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen peroxide dependent monooxygenations by tricking the substrate recognition of cytochrome P450(BSβ) (2007)
  • 著者名/発表者名: Shoji, O., Fujishiro, T., Nakajima, H., Kim, M., Nagano, S., Shiro, Y., Watanabe, Y.
  • 雑誌名: Angew.Chem.Int Ed. 46 ページ: 656-3659
  • 査読あり
• [学会発表] BMB2010ワークショップ (2010)
  • 著者名/発表者名: 永野真吾
  • 学会等名: P40および抱合酵素の新たな機能とその応用技術における最近の展開「抗がん剤インドロカルバゾールの基本骨格を構築するP450StaPの結晶構造解析と反応機構」
  • 年月日: 20101200
• [学会発表] 徳島若手研究者による生体金属分子分光学の新展開「短寿命な気体分子・金属酵素複合体の分子科学の展開を目指して」 (2010)
  • 著者名/発表者名: 永野真吾
  • 学会等名: 第47回日本生物物理学会
  • 年月日: 20101000
• [学会発表] 14^<th)International Conference on Biological Inorganic Chemistry (ICBIC14), Nagoya, (2010)
  • 著者名/発表者名: 永野真吾
  • 学会等名: Japan "Structure and Mechanism of Enzymes Involved in Indolocarbazole Biosynthesis".
  • 年月日: 20100700
• [学会発表] 第10回日本蛋白質科学会ワークショップ (2010)
  • 著者名/発表者名: 永野真吾
  • 学会等名: 金属蛋白質の新展開:生体金属のセンシング,輸送と利用「嫌気呼吸系の-酸化窒素還元酵素の構造と分子進化」
  • 年月日: 20100600
• [学会発表] シトクロムP450の多彩な機能発現の仕組みを構造から理解する (2010)
  • 著者名/発表者名: 永野真吾
  • 学会等名: 日本生化学会北海道支部講演会
  • 年月日: 20100600
• [学会発表] 16^<th>Intemational Conference on Cytochorme P450. (2009)
  • 著者名/発表者名: 永野真吾
  • 学会等名: Okinawa, Japan. "Structure and Chemistry of Enzymes Involved in Indolocarbazole Biosynthesis"
  • 年月日: 20090700
• [学会発表] 若手研究者が語る次世代生物無機化学「インドロカルバゾール生合成酵素群の構造と化学」9^<th>International Symposium on Cytochrome P450 Biodiversity and Biotechnology. Nice, France "Structure and Catalytic Mechanism of P450StaP, a Key Enzyme in Indolocarbazole Biosynthesis" Nagano, S. (2009)
  • 著者名/発表者名: 永野真
  • 学会等名: 日本化学会第89春季年会
  • 年月日: 20090300
• [学会発表] 冨山インドロカルバゾールの骨格構造を作るシトクロムP450StaPの結晶構造と反応機構:抗がん剤とペルオキシダーゼの意外な接点 (2008)
  • 著者名/発表者名: 永野真吾
  • 学会等名: 第10回P450研究会
  • 年月日: 20080700
• [図書] HandbookofPorphyrinScience, Kadish,K.,Smith,K.,Guilard,R.Eds. Vol.V,Chapter25. World Scientific.(著書) (2010)
  • 著者名/発表者名: Shiro,y., Nagano,s.
  • 総ページ数: 123-163
  • 出版者: No Chemistry by Heme Enzymes
• [図書] P450の分子構造:X線結晶構造解析を中心に(著書P450の分子生物学第二版) (2009)
  • 著者名/発表者名: 永野真吾、杉本宏、城宜嗣
  • 総ページ数: 35-45, 281-283
  • 出版者: 講談社サイエンティフィク
• [備考] ホームページ等
  • URL: http://www.bio.tottori-u.ac.jp/~bioeng/