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研究概要

一酸化窒素還元酵素の構造と機能

城 宜嗣・村本和優・澤井仁美

一酸化窒素還元酵素の構造と機能

 一酸化窒素還元酵素(Nitric Oxide Reductase: NOR)は、微生物の嫌気呼吸の一種である脱窒において中間体として産生される一酸化窒素NOを亜酸化窒素N2Oに変換する酵素である。本酵素は脱窒菌や病原菌の細胞膜に存在する膜結合性タンパク質で、ヘム分子と非ヘム鉄原子を活性中心に有する。呼吸酵素における分子進化の観点や、地球温暖化・オゾン層破壊などの環境科学との関連で注目されている酵素である。この酵素の反応機構を分子構造に基づいて理解するために、緑膿菌(Pseudomonas aeruginosa)由来シトクロムc依存性NOR(cNOR)の各種変異体や、電子供与体タンパク質との複合体の構造機能解析に取り組んでいる。また、髄膜炎菌(Neisseria meningitides)由来キノール依存性NOR(qNOR)の構造機能解析にも取り組んでいる。

酸素センサータンパク質による情報変換機構の解明

澤井仁美・城 宜嗣

生体内の鉄動態に関わるタンパク質の構造と機能

 酸素は私たちの身の回りに多く存在し、生命にとって必要不可欠な物質である。その一方、ある種の細菌にとっては毒として働くこともあり、それら細菌が生きていく上では、酸素濃度を感知してそれに対応することはとても大切なことである。根粒菌は、空気中に存在する窒素を生物が利用しやすいアンモニアに変換する窒素固定の機能を持つ細菌として有名である。窒素固定反応は酵素ニトロゲナーゼによって触媒されるが、ニトロゲナーゼは酸素に対して不安定であるので、根粒菌は酸素センサーFixL/FixJシステムによって酸素濃度を感知し、低酸素状態でのみニトロゲナーゼを発現させている。FixLはヘムを含む酸素センサードメインと触媒ドメインからなるセンサータンパク質である。酸素センサードメインのヘム鉄には酸素が吸脱着でき、酸素がセンサードメインから脱離した時に、その情報が触媒ドメインに伝えられ、それに応じて触媒ドメインはATPを利用したFixLの自己リン酸化とそのリン酸基のレスポンスレギュレーターFixJへの転移を触媒できる。リン酸化されたFixJはニトロゲナーゼ遺伝子を活性化し、その発現を促進する。  我々は、結晶構造解析とX線小角散乱法を用いたFixLおよびFixL/FixJ複合体の構造解析と、キナーゼ活性を調べる機能解析の両面から、FixL/FixJシステムによる酸素センシングの分子機構の解明を目指している。

生体内の鉄動態に関わるタンパク質の構造と機能

澤井仁美・城 宜嗣

生体内の鉄動態に関わるタンパク質の構造と機能

 ヘム(鉄ポルフィリン錯体)は、酸素の運搬貯蔵・酸化還元・異物代謝など重要な生理機能を担うタンパク質の補欠分子として機能し、ほぼ全ての生物が生命維持に利用する「生理活性物質」である。一方、タンパク質に結合していない遊離ヘムは、活性酸素源であるだけでなく細胞膜を透過できない性質を持ち細胞組織に沈着するため、酸化ダメージを誘起する「細胞毒」でもある。生物にとってヘムは「両刃の剣」の化合物であるため、生体内にはヘムの濃度や酸化状態を厳密に制御するシステムが存在する。しかし、その制御に関連する遺伝子やタンパク質の同定が遅れており、詳細なメカニズムは未解明である。生体内ヘム動態の解明を目的として、ヘムの感知・輸送・利用に関与する新規なタンパク質の構造機能解析に取り組んでいる。
 ヒトは、食餌・生合成・赤血球分解による再利用により、ヘムを獲得することが明らかになっている。しかし、獲得したヘムが生体内でどのように輸送されるのかは全く明らかではない。その主な原因は、ヘムを細胞内や細胞間で輸送するタンパク質が近年まで同定されておらず、詳細な分子メカニズムが未解明である点にある。真核生物のヘム輸送機構の分子レベルでの解明を目指し、近年同定された真核生物のヘム輸送タンパク質HRGの構造機能解析に取り組んでいる。

呼吸鎖電子伝達系末端酵素の構造と機能

村本和優

呼吸鎖電子伝達系末端酵素の構造と機能

 ミトコンドリア内膜や細菌細胞膜にある呼吸鎖は、酸化還元反応(電子伝達)で放出されたエネルギーを使って水素イオン(プロトン)を能動輸送する。エネルギーは膜を介したプロトン濃度勾配に変換され、ATP合成や物質輸送など重要な生命活動に利用される。呼吸鎖におけるエネルギー変換効率は極めて高く、それを可能にする生体超分子(タンパク質複合体)の仕組みは興味深い。エネルギー変換機構を分子構造に基づいて理解するため、ミトコンドリアや細菌の呼吸鎖電子伝達系末端酵素であるヘム・銅酸素還元酵素(Heme-Copper Oxygen Reductase)スーパーファミリーを対象として、電子伝達と共役したプロトン能動輸送機構に関するX線結晶構造解析と機能解析に取り組んでいる。

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