呼吸酵素における、酸素還元と一酸化窒素還元の機能変換と分子進化

2012 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 21245041
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生体関連化学
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所
• 研究代表者: 城 宜嗣 独立行政法人理化学研究所, 城生体金属科学研究室, 主任研究員 (70183051)
• 連携研究者: 杉本 宏 独立行政法人理化学研究所, 城生体金属科学研究室, 専任研究員 (90344043) ; 菊地 晶裕 独立行政法人理化学研究所, 城生体金属科学研究室, 客員研究員 (90321752) ; 永野 真吾 独立行政法人理化学研究所, 城生体金属科学研究室, 客員研究員 (60286440) ; 當舎 武彦 独立行政法人理化学研究所, 城生体金属科学研究室, 専任研究員 (00548993)
• 研究期間 (年度): 2009 – 2012
• キーワード: 一酸化窒素 / 呼吸酵素 / 脱窒 / 亜酸化窒素 / 温室効果ガス / オゾン層破壊 / 分子進化

研究概要

一酸化窒素還元酵素(NOR)は、嫌気呼吸の鍵となる呼吸酵素であり、細胞毒性の高い一酸化窒素NOを亜酸化窒素N_2Oに変換する鉄含有膜内在性酵素である。P. aeruginosaのcNORとG. stearothermophillusのqNORの結晶構造を明らかにした。これら構造を基盤に、酵素反応の分子機構ならびに触媒プロトン移動機構を提案した。また、好気呼吸酵素との構造機能比較より、呼吸酵素の分子進化を議論した。

研究成果

• [雑誌論文] Crystal Structures of Nitric Oxide Reductases Provide Key Insights into Functional Conversion of Respiratory Enzymes (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Tosha, Y. Shiro
  • 雑誌名: IUBMB (International Union of Biochemistry and Molecular Biology) 巻: Life 65 ページ: 217-226
• [雑誌論文] Crystal Structure of Quinol-Dependent Nitric Oxide Reductase from Geobacillus Stearothermophilus (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Matsumoto, T. Tosha, A. V. Pisliakov, T. Hino, H. Sugimoto, S. Nagano, Y. Sugita, Y. Shiro
  • 雑誌名: Nat. Strl. Mol. Biol 巻: 19 ページ: 238-245
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Dynamic Simulations Reveal Proton Transfer Pathways in Cytochrome C-Dependent Nitric Oxide Reductase (2012)
  • 著者名/発表者名: A. V. Pisliakov, T. Hino, Y. Shiro, Y. Sugita
  • 雑誌名: POLS Comp. Biol 巻: 8 ページ: e1002674
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural Basis for Oxygen Sensing and Signal Transduction of the Heme-Based Sensor Protein Aer2 from Pseudomonas aeruginosa (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Sawai, H. Sugimoto, Y. Shiro, H. Ishikawa, Y. Mizutani, S. Aono
  • 雑誌名: Chem. Commun 巻: 48 ページ: 6523-6525
  • DOI: doi: 10.1039/c2cc32549g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interactions of Soluble Guanylate Cyclase with a P-Site Inhibitor: Effects of Gaseous Heme Ligands, Azide, and Allosteric Activators on the Binding of 2'-Deoxy-3'-GMP (2012)
  • 著者名/発表者名: R. Makino, S. Yazawa, H. Hori, Y. Shiro
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 51 ページ: 9277-9289
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coupling Reaction of Indolepyruvic Acid by StaD and Its Product: Implications of Biosynthesis of Indolocarbazole and Violacein (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Asamizu, S. Hirano, H. Onaka, H. Koshino, Y. Shiro, S. Nagano
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 13 ページ: 2495-2500
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chiral Substrate Analogues Assisted Stereoselective Epoxidation Catalyzed by H_2O_2-Dependent Cytochrome P450SPa (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Fujishiro, O. Shoji, N. Kawakami, T. Watanabe, H. Sugimoto, Y. Shiro, Y. Watanabe
  • 雑誌名: Chem. Asian J 巻: 7 ページ: 2286-2293
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Structures and Mechanism of Bacterial Nitric Oxide Reductase (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Hino, S. Nagano, H. Sugimoto, T. Tosha, Y. Shiro
  • 雑誌名: Special Issue on Respiratory Oxidases in Biochim 巻: Biophys. Acta - Bioenergetics 1817 ページ: 680-687
• [雑誌論文] Proton Transfer in the Quinol-dependent Nitric Oxide Reductase from Geobacillus stearothermophilus during Reduction of Oxygen (2012)
  • 著者名/発表者名: L. Salomonsson, J. Reimann, T. Tosha, N. Krause, N. Gonska, Y. Shiro, P. Adelroth
  • 雑誌名: Special Issue on Respiratory Oxidases in Biochim 巻: Biophys. Acta - Bioenergetics 1817 ページ: 1914-1920
• [雑誌論文] "Structural Basis for Nitrous Oxide Generation by Bacterial Nitric Oxide Reductases" the Proceedings of the Royal Society Meeting (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiro, H. Sugimoto, T. Tosha, S. Nagano, T. Hino
  • 雑誌名: 'Nitrous oxide, the forgotten greenhouse gas', Philosophical Transactions B, The Royal Society 巻: 367 ページ: 1195-1203
• [雑誌論文] "Structure and Function of Bacterial Nitric Oxide Reductases, Anaerobic Enzymes" Special Issue on European BioEnergetic Conference 2012 in Biochim (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiro
  • 雑誌名: Biophys. Acta - Bioenergetics 巻: 1817 ページ: 1907-1913
• [雑誌論文] 一酸化窒素還元酵素の結晶構造から見えてきた呼吸酵素の機能変換 (2012)
  • 著者名/発表者名: 日野智也、當舍武彦、城 宜嗣
  • 雑誌名: 生物物理 巻: Vol 52 ページ: 186-189
• [雑誌論文] Application of Micro-reactor Chip Technique for Millisecond Quenching of Deuterium Incorporation into 70S Ribosomal Protein Complex (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, Y. Shimizu, T. Ueda, Y. Shiro, M. Suematsu
  • 雑誌名: Intl. J. Mass Spectrometry 巻: 302 ページ: 132-138
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxygen Binding and Redox Properties of the Heme in Soluble Guanylate Cyclase : Implications for the Mechanism of Ligand Discrimination (2011)
  • 著者名/発表者名: R. Makino, S.-Y. Park, E. Obayashi, T. Iizuka, H. Hori, Y. Shiro
  • 雑誌名: J. Biol. Chem 巻: 286 ページ: 15678-15687
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal Structure of Carbonmonoxide Complex of Human Cytoglobin (2011)
  • 著者名/発表者名: M. Makino, H. Sawai, Y. Shiro, H. Sugimoto
  • 雑誌名: PROTEINS 巻: 79 ページ: 1143-1153
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization and Functional Modification of StaC and RebC, Which are Involved in Pyrrole Oxidation of Indolocarbazole Biosynthesis (2011)
  • 著者名/発表者名: S. Asamizu, Y. Shiro, Y. Igarashi, S. Nagano, H. Onaka
  • 雑誌名: Biosci. Biotechnol. Biochem 巻: 75 ページ: 2184-2193
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal Structure of H_2O_2-dependent Cytochrome P450_<SPa> with Its Bound Fatty Acid Substrate: Insight into the Regioselective Hydroxylation of Fatty Acids at the a Position (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Fujishiro, O. Shoji, S. Nagano, H. Sugimoto, Y. Shiro, Y. Watanabe
  • 雑誌名: J. Biol. Chem 巻: 286 ページ: 29941-29950
  • 査読あり
• [雑誌論文] Resonance Raman study on the oxygenated and the ferryl-oxo species of indoleamine 2,3-dioxygenase during catalytic turnover (2011)
  • 著者名/発表者名: S. Yanagisawa, M. Horitani, H. Sugimoto, Y. Shiro, N. Okada, T. Ogura
  • 雑誌名: Faraday Discuss 巻: 1814 ページ: 249-256
  • 査読あり
• [雑誌論文] 一酸化窒素還元酵素NOR ―呼吸酵素の分子進化と温室効果ガスの産生メカニズム― (2011)
  • 著者名/発表者名: 日野智也、城 宜嗣
  • 雑誌名: 化学 巻: Vol 66 ページ: 30-35
• [雑誌論文] Unique Properties and reactivity of High-Valent Manganese-Oxo versus Manganese-Hydroxo in the Salen Platform (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Kurahashi, A. Kikuchi, Y. Shiro, M. Hada, H. Fujii
  • 雑誌名: Inorg. Chem 巻: 49 ページ: 6664-6672
  • 査読あり
• [雑誌論文] Three-step Hydroxylations of Vitamin D_3 by a Genetically Engineered CYP105A1 (2010)
  • 著者名/発表者名: K. Hayashi, K. Yasuda, H. Sugimoto, S. Ikushiro, M. Kamakura, A. Kittaka, R. Horst, T. Chen, M. Ohta, Y. Shiro, T. Sakaki
  • 雑誌名: FEBS Lett 巻: 277 ページ: 3999-4009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design of Novel Hypoxia-targeting IDO Hybrid Inhibitors Conjugated with an Unsubstituted L-TRP as an IDO Affinity Moiety (2010)
  • 著者名/発表者名: H. Nakashima, K. Ikkyu, K. Nakashima, K. Sano, Y. Uto, E. Nakata, H. Nagasawa, H. Sugimoto, Y. Shiro, Y. Nakagawa, H. Hori
  • 雑誌名: Adv. Exp. Med. Biol 巻: 662 ページ: 415-421
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bioconversion of Vitamin D to Its Active Form by Bacterial or Mammalian Cytochromes P450 (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Sakaki, H. Sugimoto, K. Hayashi, K. Yasuda, E. Munetsna, M. Kamakura, S. Ikushiro, Y. Shiro
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta 巻: 1814 ページ: 249-256
  • 査読あり
• [雑誌論文] A novel Glycerophosphodiester Phosphodiesterase GDE5 Controls Skeletal Muscle Development via a Non-enzymatic Mechanism (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Okazaki, N. Ohshima, I. Yoshizawa, Y. Kamei, S. Mariggio, K. Okamoto, M. Maeda, Y. Nogusa, Y. Fujioka, T. Izumi, Y. Ogawa, Y. Shiro, M. Wada, N. Kato, D. Corda, N. Yanaka
  • 雑誌名: J. Biol. Chem 巻: 285 ページ: 27652-27663
  • 査読あり
• [雑誌論文] ONIOM Study on a Missing Piece in Our Understanding of Heme Chemistry: Bacterial Tryptophan 2,3-Dioxygenase with Dual Oxidants (2010)
  • 著者名/発表者名: L. W. Chung, X. Li, H. Sugimoto, Y. Shiro, K. Morokuma
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc 巻: 132 ページ: 11993-12005
  • 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: O. Shoji, T. Fujishiro, S. Nagano, S. Tanaka, T. Hirose, Y. Shiro, Y. Watanabe
  • 雑誌名: J. Bio. Inorg. Chem 巻: 15 ページ: 1331-1339
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Specific Interaction of L-Tryptophan with CO of CO-Bound Indoleamine 2,3-Dioxygenase Identified by Resonance Raman Spectroscopy (2010)
  • 著者名/発表者名: S. Yanagisawa, H. Sugimoto, Y. Shiro, T. Ogura
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 49 ページ: 10081-10088
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural Basis of Biological N2O Generation by Bacterial Nitric Oxide Reductase (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Hino, Y. Matsumoto, S. Nagano, H. Sugimoto, Y. Fukumori, T. Murata, S. Iwata, Y. Shiro
  • 雑誌名: Science 巻: 330 ページ: 1666-1670
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mg^<2+> Dependence of 70S Ribosomal Protein Flexibility Revealed by Hydrogen/Deuterium Exchange and Mass Spectrometry (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, Y. Shimizu, T. Ueda, Y. Shiro
  • 雑誌名: J. Biol. Chem 巻: 285 ページ: 5646-5652
  • 査読あり
• [雑誌論文] Excited States of Fluorescent Proteins, mKO and DsRed: Chromophore-protein Electrostatic Interaction Behind the Color Variations (2010)
  • 著者名/発表者名: J. Hasegawa, Y. Ise, K. Fujimoto, A. Kikuchi, E. Fukumura, A. Miyawaki, Y. Shiro
  • 雑誌名: J. Phys. Chem 巻: B 114 ページ: 2971-2979
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cooperative Binding of L-Trp to Human Tryptophan 2,3-Dioxygenase: Resonance Raman Spectroscopic Analysis (2009)
  • 著者名/発表者名: E. Fukumura, H. Sugimoto, Y. Misumi, T. Ogura, Y. Shiro
  • 雑誌名: J. Biochem 巻: 145 ページ: 505-515
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ligand Energy Controls the Heme-Fe Valence in Aqueous Myoglobins (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Harada, M. Taguchi, Y. Miyajima, T. Tokushima, Y. Horikawa, A. Chainani, Y. Shiro, Y. Senba, H. Ohashi, H. Fukuyama, S. Shin
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn 巻: 78 ページ: 044802-1 - 5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal Structure of a New Cyan Fluorescent Protein and Its Blue-shifted Variants (2009)
  • 著者名/発表者名: A. Kikuchi, E. Fukumura, S. Karasawa, Y. Shiro, A. Miyawaki
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 48 ページ: 5276-5283
  • 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: Y. Wang, H. Chen, M. Makino, Y. Shiro, S. Nagano, S. Asamizu, H. Onaka, S. Sason
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc 巻: 131 ページ: 6748-6762
  • 査読あり
• [雑誌論文] Heme-dependent Autophosphorylation of a Heme Sensor Kinase, ChrS from Corynebacterium diphtheriae Reconstituted in Proteoliposomes (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Ito, S. Nakagawa, A. Komagata, M. Ikeda-Saito, Y. Shiro, H. Nakamura
  • 雑誌名: FEBS Lett 巻: 583 ページ: 2244-2248
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure of PAS-linked Histidine Kinase and the Response Regulator Complex (2009)
  • 著者名/発表者名: S. Yamada, H. Sugimoto, M. Kobayashi, A. Ohno, H. Nakamura, Y. Shiro
  • 雑誌名: Structure 巻: 17 ページ: 1333-1344
  • 査読あり
• [雑誌論文] X-ray Crystal Structure of the Michaelis Complex of Aldoxime Dehydratase (2009)
  • 著者名/発表者名: H. Sawai, H. Sugimoto, Y. Kato, Y. Asano, Y. Shiro, S. Aono
  • 雑誌名: J. Biol. Chem 巻: 284 ページ: 32089-32096
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of the Fe-O_2 and the Fe=O Heme Species for Indoleamine 2,3-Dioxygenase during Catalytic Turnover (2009)
  • 著者名/発表者名: S. Yanagisawa, K. Yotsuya, Y. Hashiwaki, M. Horitani, H. Sugimoto, Y. Shiro, E. H. Appelman, T. Ogura
  • 雑誌名: Chem. Lett 巻: 39 ページ: 36-37
  • 査読あり
• [学会発表] Functional Characterization of Some Hemoproteins Based on Their Molecular Structures (2012)
  • 著者名/発表者名: Shiro, Y
  • 学会等名: The First International Symposium on Biofunctional Chemistry (ISBC2012)
  • 発表場所: Tokyo
  • 年月日: 20121128-30
• [学会発表] Functional Characterization of Some Hemoproteins Based on Their Molecular Structures (2012)
  • 著者名/発表者名: Shiro, Y
  • 学会等名: The 6^<th> Asian Biological Inorganic Chemistry Conference (AsBIC6)
  • 発表場所: Hong Kong, Plenary Lecture
  • 年月日: 20121105-08
• [学会発表] Structural Basis for NO Reduction by Bacterial Nitric Oxide Reductases (2012)
  • 著者名/発表者名: Shiro, Y
  • 学会等名: 17^<th> European Bioenergetics Conference 2012 (EBEC 2012)
  • 発表場所: Freiburg, Germany
  • 年月日: 20120915-20
• [学会発表] Molecular Structures and Mechanism of Bacterial Nitric Oxide Reductase (2012)
  • 著者名/発表者名: Shiro, Y
  • 学会等名: Seventh International Conference on Porphyrins and Phtalocyanines
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 20120701-06
• [学会発表] Iron in Biology (2011)
  • 著者名/発表者名: Shiro, Y
  • 学会等名: RIKEN - University of Liverpool Joint Symposium
  • 発表場所: Liverpool, UK
  • 年月日: 20110913-15
• [学会発表] Molecular Structures and Mechanism of Bacterial Nitric Oxide Reductase (2011)
  • 著者名/発表者名: Shiro, Y
  • 学会等名: 15th International Conference of Biological Inorganic Chemistry
  • 発表場所: Vancouver, Canada, Keynote Lecture
  • 年月日: 20110807-12
• [学会発表] Structural Basis for Nitrous Oxide Generation by Bacterial Nitric Oxide Reductases (2011)
  • 著者名/発表者名: Shiro, Y
  • 学会等名: Royal Society Theo Murphy Meetin
  • 発表場所: Buckinghamshire, UK
  • 年月日: 20110523-24
• [学会発表] Molecular Structures and Mechanism of Bacterial Nitric Oxide Reductase (2011)
  • 著者名/発表者名: Shiro, Y
  • 学会等名: Mini-symposium on "Proton Transport across Biological Membranes" of the Royal Swedish Academy of Sciences
  • 発表場所: Stockholm, Sweden
  • 年月日: 2011-06-14
• [学会発表] Molecular Structures and Mechanism of Bacterial Nitric Oxide Reductase (2011)
  • 著者名/発表者名: Hino, T., Matsumoto, Y., Pisliakov, A., Nagano, S., Sugimoto, H., Sugita, Y., Shiro, Y
  • 学会等名: Third Korea-Japan Seminars on Biomolecular Sciences - Experiments and Simulations
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 2011-02-28
• [学会発表] Two-Component Regulatory System: Cellular Signal Transduction Systems Sensing Exogenous Stimuli (2010)
  • 著者名/発表者名: Shiro, Y., Nakamura, H., Ito, Y., Sugimoto, H
  • 学会等名: 2010 International Chemical Congress of Paci.c Basin Societies
  • 発表場所: Honolulu, USA
  • 年月日: 20101200
• [学会発表] Nitric Oxide Reductases: Chemistry of N-O bond Cleavage and N-N Bond Formation (2010)
  • 著者名/発表者名: Shiro, Y., Hino, T., Matsumoto, Y., Nagano, S., Sugimoto, H., Tosha, T
  • 学会等名: Sixth International Conference on Porphyrins and Phtalocyanines
  • 発表場所: New Mexico, USA
  • 年月日: 20100704-09
• [学会発表] Structure and Function of Nitric Oxide Reductases; Chemistry of NO Reduction and N_2O Formation (2009)
  • 著者名/発表者名: Shiro, Y
  • 学会等名: 14th International Conference of Biological Inorganic Chemistry
  • 発表場所: Nagoya, Japan
  • 年月日: 20090700
• [学会発表] Structure and Function of Nitric Oxide Reductases; Chemistry of NO Reduction and N_2O formation (2009)
  • 著者名/発表者名: Shiro, Y
  • 学会等名: 1st Korea-Japan Seminars on Biomolecular Sciences - Experiments and Simulations
  • 発表場所: Seoul, Korea
  • 年月日: 20090200-0300
• [図書] in Handbook of Porphyrin Science (K. M. Kadish, K. M. Smith, R. Guilard, Eds.) Vol. 5, Chapter 24 (2011)
  • 著者名/発表者名: H. Sugimoto, O. Takikawa, Y. Shiro
  • 総ページ数: 71-122
  • 出版者: Tryptophan Catabolism by Heme Dioxygenases
• [図書] in Handbook of Porphyrin Science (K. M. Kadish, K. M. Smith, R. Guilard, Eds.) Vol. 5, Chapter 25 (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiro, S. Nagano
  • 総ページ数: 123-163
  • 出版者: NO Chemistry by Heme-Enzyme
• [備考]
  • URL: http://www.riken.jp/biometal/index.htm