2003 Fiscal Year Annual Research Report

ヘムオキシゲナーゼの酵素反応を原子スケールで追跡する

Research Project

Project/Area Number	14380300
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	齋藤正男東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70302239)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	海野昌喜東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (10359549) 松井敏高東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (90323120)
Keywords	ヘム / ヘムオキシゲナーゼ / X線結晶構造解析
Research Abstract	ヘムオキシゲナーゼは酸素を還元的に活性化し、ヘムをビリベルジン・一酸化炭素(CO)・鉄イオンヘと分解する酵素である。本研究ではヘムオキシゲナーゼの反応機構を詳細に至るまで徹底的に解明するために、全反応中間体のX線結晶構造解析を目標としている。前年度までに、バクテリア由来のヘムオキシゲナーゼである"HmuO"の酸化型ヘム、還元型ヘムおよび阻害剤結合型ヘムとの複合体の高分解能の結晶構造を解明することに成功しており、本年度はこれらの結果に基づいた研究を進めた。実際の酵素反応では、ヘムは還元された後に酸素結合型となるが、その不安定性および還元制御の困難さから、ヘムオキシゲナーゼ酸素化型結晶は得られていなかった。我々は嫌気グローブボックス内での結晶操作、および結晶の光吸収測定システムを構築し、酸素化型ヘム複合体結晶の調製に世界で初めて成功した。酸素体の1.85Å分解能での構造解析から、ヘムオキシゲナーゼの高い酸素親和性、COによる生成物阻害の抑制、さらに酸素の活性化機構などに関する多くの知見が得られた。また、HmuO-酸化型ヘム複合体の結晶に好気条件下、還元剤を加えることにより、最終生成物であるビリベルジン複合体およびその前段階の鉄-ビリベルジン錯体との複合体の構造解析にも成功した。鉄錯体の構造は既報の哺乳類型ヘムオキシゲナーゼと類似していたが、鉄が遊離した後の構造は大きく異なっており、この比較的大きな生成物の放出におけるヘムオキシゲナーゼの多様性を示す結果となった。現在、酸素化型結晶から幾つかの反応中間体の調製が可能であることを、結晶の吸収測定から確認している。比較的高分解能の反射も得られていることから、全反応中間体の構造解析にほぼ目途がついたと考えられる。

Research Products

(6 results)

All Other

All Publications (6 results)

[Publications] Davydov et al.: "Kinetic isotope effects on the rate-limiting step of heme oxygenase catalysis indicate concerted proton transfer/heme hydroxylation"J.Am.Chem.Soc.. 125(52). 16208-16209 (2003)
[Publications] Unno et al.: "Crystal structure of the dioxygen-bound heme oxygenase from Corynebacterium diphtheriae : Implications for heme oxygenase function"J.Biol.Chem.. (In press). (2004)
[Publications] Hirotsu et al.: "The crystal structures of the ferric and ferrous forms of the heme complex of Hmu O, a heme oxygenase of Corynebacterium diphtheriae"J.Biol.Chem.. 279(12). 11937-11947 (2004)
[Publications] Voegtle et al.: "Spectroscopic characterization of five- and six-coordinate ferrous-NO heme complexes. Evidence for heme Fe-proximal cysteinate bond cleavage in the ferrous-No adducts of the Trp-409Tyr/Phe proximal"Biochemistry. 42(8). 2475-2484 (2003)
[Publications] Li et al.: "Solution 1H NMR investigation of the active site molecular and electronic structures of substrate-bound, cyanide-inhibited HmuO, a bacterial heme oxygenase from Corynebacterium"J.Biol.Chem.. 278(9). 6651-6663 (2003)
[Publications] Zhang et al.: "Stereoselectivity of each of the three steps of the heme oxygenase reaction : hemin to meso-hydroxyhemin, meso-hydroxyhemin to verdoheme, and verdoheme to biliverdin"Biochemistry. 42(24). 7418-7426 (2003)

2003 Fiscal Year Annual Research Report

ヘムオキシゲナーゼの酵素反応を原子スケールで追跡する

Principal Investigator

齋藤 正男 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70302239)

Research Products

[Publications] Davydov et al.: "Kinetic isotope effects on the rate-limiting step of heme oxygenase catalysis indicate concerted proton transfer/heme hydroxylation"J.Am.Chem.Soc.. 125(52). 16208-16209 (2003)

[Publications] Unno et al.: "Crystal structure of the dioxygen-bound heme oxygenase from Corynebacterium diphtheriae : Implications for heme oxygenase function"J.Biol.Chem.. (In press). (2004)

[Publications] Hirotsu et al.: "The crystal structures of the ferric and ferrous forms of the heme complex of Hmu O, a heme oxygenase of Corynebacterium diphtheriae"J.Biol.Chem.. 279(12). 11937-11947 (2004)

[Publications] Voegtle et al.: "Spectroscopic characterization of five- and six-coordinate ferrous-NO heme complexes. Evidence for heme Fe-proximal cysteinate bond cleavage in the ferrous-No adducts of the Trp-409Tyr/Phe proximal"Biochemistry. 42(8). 2475-2484 (2003)

[Publications] Li et al.: "Solution 1H NMR investigation of the active site molecular and electronic structures of substrate-bound, cyanide-inhibited HmuO, a bacterial heme oxygenase from Corynebacterium"J.Biol.Chem.. 278(9). 6651-6663 (2003)

[Publications] Zhang et al.: "Stereoselectivity of each of the three steps of the heme oxygenase reaction : hemin to meso-hydroxyhemin, meso-hydroxyhemin to verdoheme, and verdoheme to biliverdin"Biochemistry. 42(24). 7418-7426 (2003)

齋藤正男東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70302239)