ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼリン酸化酵素の結晶構造解析

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14780523
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 松村 浩由 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (30324809)
• Keywords: PEPカルボキシラーゼ / 炭酸固定酵素 / C4植物 / トウモロコシ / NADP-リンゴ酸酵素 / PEPC-PK / X線構造解析 / 分子機構解明

Research Abstract

ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ(PEPC)は、C4植物で光合成初期炭酸固定反応を触媒している酵素である。PEPCをイネに高発現させることによって、炭酸固定効率が増大し、光合成の酸素阻害が低減されるとの報告があったが(Nature Biotech.17,76-80(1999))、その後の報告で、イネで高発現したPEPCは必ずしもその酵素活性を最大限に発揮していない可能性が示唆されている。PEPCの活性調節がうまく機能していないのが原因であると考えられている。そこで、我々はPEPCの活性調節機構の全容解明に向けてPEPC-PKの結晶構造解析を目指ざし、以下の実験を進めた。
C4植物フラベリア由来PEPC-PKの大量精製系を二種類(pET16b,His-tagged酵素とpeT43a,thrombin処理酵素)確立し、大量精製に成功した。その後の恒温インキュベータ(20℃と4℃)で、結晶化を行ったところ、0.05mm程度の大きさの結晶を作成することに成功したが、SPring-8にてX線回折実験を行ったところ回折能8.0Å程度と構造解析には不十分なデータしか得られなかった。更なる結晶の品質向上を目指し、溶液状態を制御による結晶の品質およびサイズを向上させる技術を開発した(Jpn.J.Appl.Phys 43,L79-L81(2004))。現在、本技術を用いて結晶化を行っている。
更に、PEPCの立体構造に基づくアロステリック活性調節機構に関する論文1報と総説2報を報告した(Structure 10,1721-1730(2002),Arch.Biochem.Biophys.414,170-179(2003),Annual Review Plant Biol.(2004)in press.)。
また、PEPCはリンゴ酸などの有機酸によって活性阻害されることが知られているが、生体内でそのリンゴ酸を生成する酵素NADP依存型リンゴ酸酵素の精製・結晶化にも取り組んだ。NADP-リンゴ酸酵素については、微結晶を得ており(0.1mm程度)、5.0Å分解能の回折能を示す結晶を得ている。

Research Products

• [Publications] Matsumura, H.: "Crystal Structure of C4 Form Maize and Quaternary Complex of E.coli Phosphoenolpyruvate Carboxylases"Structure. 10. 1721-1730 (2002)
• [Publications] Kai, Y.: "Phosphoenolpyruvate carboxylase : Three-dimensional structure and molecular mechanisms"Arch.Biochem.Biophys. 414. 170-179 (2003)
• [Publications] Adachi, H.: "A New Practical Technique for Protein Crystallization with Floating and Stirring Methods"Jpn.J.Appl.Phys. 42. L1161-L1163 (2003)
• [Publications] Adachi, H.: "Two-Liquid Hanging-Drop Vapor-Diffusion Technique of Protein Crystallization"Jpn.J.Appl.Phys. 43. L79-L81 (2004)
• [Publications] Inoue, T.: "Mechanism of metal activation of human hematopoietic prostaglandin D synthase"Nature Structural biology. 10. 291-296 (2003)
• [Publications] Izui, K.: "Phosphoenolpyruvate carboxylase : Tree-dimensional structure and molecular mechanisms"Annual Review Plant Biol.. (In press). (2004)
• [Publications] Inoue, T.: "The First Determination of the Inhibitor Complex Structure of Human Hematopoietic Prostaglandin D Synthase"J.Biochem.. (in press). (2004)
• [Publications] Inoue, T.: "The significance of the flexible loop in the azurin (Az-iso2) from the obligate methylotroph Methylomonas sp.strain J."J.Mol.Biology. 333. 117-124 (2003)
• [Publications] Yamamoto, T.: "Crystallization and preliminary X-ray analysis of TBP-interacting protein from the typerthermophilic archaeon Thermococcus kodakaraensis strain KOD1"Acta Cryst.. S59. 372-374 (2003)
• [Publications] Adachi, H.: "Laser Irradiated Growth of Protein Crystal."Jpn.J.Appl.Phys.. 42. 798-800 (2003)
• [Publications] Adachi, H.: "New practical technique for protein crystallization with floating and stirring methods."Jpn.J.Appl.Phys.. 42. L1161-L1163 (2003)
• [Publications] Xieyong, Y.: "Crystallization and preliminary X-ray crystallographic studies of mavicyanin from Cucurbita pepo medullosa"Acta Cryst.. D59. 1474-1476 (2003)
• [Publications] Okano Y: "Crystallization and preliminary X-ray crystallographic studies of Trypanosoma brucei prostaglandin F2 synthase."J Biochem. 132. 859-861 (2002)
• [Publications] Okano, Y.: "X-ray structure of Galdieria Rubisco complexed with one sulfate ion per active site"FEBS Letters. 527. 33-36 (2002)
• [Publications] Mizohata, E.: "Crystal Structure of Activated Ribulose-1,5-bisphosphate Carboxylase/Oxygenase from Green Alga Chlamydomonas reinhardtii Complexed with 2-Carboxyarabinitol-1,5-bisphosphate globisporus"J.Mol.Biol.. 316. 679-691 (2002)