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スポットライトリサーチ

システインから無機硫黄を取り出す酵素反応の瞬間を捉える

新年第一回目、第133回のスポットライトリサーチは、埼玉大学理工学研究科(高橋 康弘教授) 藤城 貴史 助教を紹介します。

藤城助教が研究をされている分子統御研究室(高橋研究室)では主に、鉄硫黄クラスターに関する研究が行われています。

鉄硫黄クラスターをもつタンパク質は、生体における酸化還元(電子伝達)反応に関与するのみでなくLewis酸やラジカル反応に関与するものとして働くなど、生命活動に極めて重要な役割を果たすことが知られています。その生合成機構を解明することは、生命活動の理解や生命化学の進展に大きく寄与すると考えられ、世界中で研究が行われています。

藤城助教らは今回、鉄硫黄クラスターの生合成系のひとつ『SUF-likeマシナリー』の理解への道を拓く研究成果を発表されました。

Fujishiro, T., Terahata, T., Kunichika, K., Yokoyama, N., Maruyama, C., Asai, K., Takahashi, Y.

”Zinc-ligand swapping mediated complex formation and sulfur transfer between SufS and SufU for iron-sulfur cluster biogenesis in Bacillus subtilis”

J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 18464  DOI: 10.1021/jacs.7b11307

本研究はプレスリリースとしても発表されています。そこで第一著者である藤城助教にインタビューを行わせていただきました。

高橋教授からのコメントおよび原著論文も合わせ、インタビューをお楽しみください。

藤城さんには3年前に、埼玉大学の私の研究室に、初の助教として参加していただきました。私とは研究のバックグラウンドは異なるものの、研究への興味や対象が共通しています。また、サイエンスに向かう姿勢や考え方、発想の柔軟さ、逆境にめげないタフさなどを持ち合わせており、異分野交流により生まれる新たな風を期待しました。今回の研究は、まさにそれが実を結んだ形で、私にとっては“目からウロコ”のすばらしい成果となりました。今後も、研究・教育に情熱を注ぎ、新たな道を切り拓いて行ってくれることを期待しています。

高橋 康弘

Q1. 今回のプレスリリース対象となったのはどんな研究ですか?

 

必須金属補因子”鉄硫黄クラスター”の生合成系のひとつ「SUF-likeマシナリー」(図1)のシステイン脱硫酵素SufSと、硫黄運搬を担うZn含有タンパク質SufUが会合した「SufS-SufU複合体」(図2)、ならびに硫黄の授受における反応中間体のX線結晶構造解析に成功しました。SufU単独では、41番目のシステイン残基(Cys41)はZnの配位子のひとつですが、SufSと複合化することによって、SufSの342番目のヒスチジン残基(His342)とswapping(配位子置換)してフリーとなり(図2)、SufSからの無機硫黄をCys41-persulfide(SufU-SSH)の形で受け取ることが可能となります(図1、2、3)。本研究は、「Zn-CysからZn-Hisへの配位子交換を酵素反応開始のトリガー」とする非常にユニークな例であり、その生理学的な意味や、比較的安定なZn-Cys結合がHisと置換するdriving forceについてなど、生物学・化学のどちらの観点からも興味を引く内容となっています。

図1. SUF-likeマシナリーによる鉄硫黄クラスター生合成.太い矢印は、枯草菌ゲノム上のSUF-likeマシナリー成分をコードする遺伝子クラスター(sufCDSUB)を示す.またSUF-likeマシナリーによる鉄硫黄クラスター生合成では,SufSとSufUが無機硫黄の供給,SufBCDが鉄硫黄クラスター組み立てを担う.

図2. SufS-SufU複合体の全体構造と,SufS-SufU複合化におけるSufUのZnの配位子のswapping.SufUのCys41が外れ,代わりにSufSのHis342がZnに結合する.

図3. SufS-SufU複合体の境界面における無機硫黄の輸送ルート.SufSのPLP部位からSufSのCys361を経由して,SufUのCys41まで無機硫黄が渡される.

Q2. 本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

タンパク質の結晶化は、サンプルの鮮度が命ですので、SufS、SufU2つのタンパク質をそれぞれ別々に精製して複合化させたのち、結晶化スクリーニングまでの工程を1日以内にすべて終わらせるようにしました。また、反応中間体の構造解析のための結晶内酵素反応を行うときは、非常に脆いタンパク質の微小結晶を扱うため、丁寧に素早く操作を行いました。全体的に、集中力と体力、そして繊細さが、この種の実験では常に大事だと思います。

Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか?またそれをどのように乗り越えましたか?

本研究は、生物学と化学のいわゆる”境界領域”ですので、論文にするときのストーリーが非常に大事になります。例えば、我々の分野の場合は、化学系では”too biological”、生物系では”artifact” または “not biologically relevant”とか言われてしまいます。今回は化学系の雑誌でしたので、タンパク質の構造の図(cartoonとribbonの図)だけでなく、酵素反応のデータを追加したり、ChemDrawで描くような反応機構の図を足したりして、対応しました。

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか?

現在、私は分子生物学科に所属し、研究・教育活動を行っています。「分子レベルで生命現象を理解する」のが当学科のコンセプトでありますが、そこに加えて「生物が生み出す分子自身の面白さ」もまた、学生たちに伝わるような教育・研究を目指していきたいです。また、生物と化学の境界領域でいつも感じるのが、生物は我々の想像を超えるような分子を利用し、ユニークな活動(反応)を行っているということです。近年のゲノムサイエンスなどの発展などにより、潜在的に有用なバイオリソースがまだまだ多く存在することが示唆されています。化学だけでなく生物学の手法も交えながら、それらを探索して分子レベルで仕組みを理解し、生命化学の発展に貢献していけたらと考えています。

Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

日本最大の化学ポータルサイトChem-Stationに我々の研究を取りあげていただき、大変嬉しく思っています。私は元々化学を専攻し、ポスドクで生物系の研究環境に移ったのがきっかけで、現在に至ります。学生時代には全く予期してなかった道を進んでいますが、そういう“縁”のようなものは不思議で、かつ、とても大事なものだと日々感じます。研究は結局のところ人間が行う活動である以上、(研究の結果にはもちろん厳しくですが)人と人との縁も忘れず、楽しんで研究に励みましょう。

最後に、本研究を進めるにあたり、多くのご指導ご助言をいただきました高橋康弘先生に、この場をお借りして深く感謝申し上げます。

研究者の略歴

名前:藤城貴史

所属:埼玉大学 理学部分子生物学科 分子統御研究室(高橋研究室) 助教
研究テーマ:金属タンパク質、金属コファクター生合成
専門:生物無機化学、構造生物学、酵素学、構造ゲノム学

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