[スポンサーリンク]

一般的な話題

ヘム鉄を配位するシステイン残基を持たないシトクロムP450!?中には21番目のアミノ酸として知られるセレノシステインへと変異されているP450も発見!

[スポンサーリンク]

こんにちは,熊葛です.今回は,一般的なP450で保存されているヘム鉄を配位するシステイン残基に,異なったアミノ酸残基へと変異が入ったP450の報告があったので紹介させていただきます.中には21番目のアミノ酸とも呼ばれるセレノシステインを持つP450もあり,P450大好きな研究者としては非常に興味深いと思いました.※記事執筆時点では論文はプレプリントのため,正式に公開されたのち加筆修正いたします.

Nguy, A. K. L.; Ireland, K. A.; Kayrouz, C. M.; Cáceres, J. C.; Greene, B. L.; Davis, K. M.; Seyedsayamdost, M. R. Non-Canonical Cytochrome P450 Enzymes in Nature. bioRxiv, 2024, 2024.12.22.630014. https://doi.org/10.1101/2024.12.22.630014.

シトクロムP450と保存されたシステイン残基

シトクロムP450 (CYP) は一次代謝から二次代謝まで,ヒトや微生物などほとんどすべての種が持っている酸化酵素です.このCYPの代表的な特徴として,どの種でも

  1. ほとんど共通の立体構造を有する
  2. システイン (Cys) 残基に配位されたヘム鉄を活性中心に持ち,ヘム鉄を中心とした触媒サイクルで酸化反応を行う

ことなどが挙げられます (図1) .

図1A : CYPの触媒サイクル ; B : CYPで保存された立体構造 ; C : ヘム鉄周辺のアミノ酸残基 (参考文献1, 2より引用)

特に,活性中心にあるヘム鉄を配位するCys残基は,強固なC-H結合を活性化させるために必要と考えられています.そのため,このCys残基を変異させると活性が減弱することが多くの研究で知られています.一方で,このCys残基以外に置換されたCYPは報告がありません.

バイオインフォマティクス解析による非標準CYP (ncCYP) の同定

そこでプリンストン大学のMohammad R. Seyedsayamdost,エモリー大学のKatherine M. Davisらは,ヘムリガンドとしてCys以外のアミノ酸残基を持つものも存在するのではないかと考え,バイオインフォマティクス解析を行いました.はじめに遺伝子などのデータベースが多く保存されているNCBIのRefSeq (厳選された高品質な遺伝子情報) から約200,000のCYPのアミノ酸配列を取得しました.その後アミノ酸配列のアライメントを行った結果,本来Cysの存在する位置に別のアミノ酸残基を持つCYP (ncCYP) を多く発見しました (図2) .図2に示したように,Cysの代わりにグルタミン酸やアルギニン (ファミリーA, B) ,セリン (ファミリーG, R, T) ,さらに21番目のアミノ酸と呼ばれるセレノシステイン (システインの硫黄がセレンへと置換されたアミノ酸) に変異しているファミリーMなどが存在しておりました.

図2 : CYPとncCYPのアミノ酸配列のアライメント (論文より引用)

ncCYPのヘムリガンドの確認 (セリンをリガンドとして持つncCYP)

次に筆者らは,見出したncCYPが本当にCys以外のヘムリガンドのアミノ酸残基を持つのかを確認することとしました.例えばセリンをリガンドとして持つCYPファミリーは,大腸菌での組換えタンパク質を調製後,EPR分光法やX線結晶構造解析からヘムリガンドとしてセリンを配位することを確認しました (図3) .興味深いことに,ヘム近辺のトリプトファン残基が基質を受け入れにくいように配向しており,基質が入るためには立体構造の変化が必要になることが示唆されました.

図3 : セリンをリガンドとして持つncCYP (論文より引用)

セレノシステインをヘムリガンドとして持つncCYP

セレノシステインをヘムリガンドとして持つncCYPのmRNAを調査すると,セレノシステインを導入するために必要な終止コドンと,さらにRNAの二次構造予測ツールRNAfoldよりセレノシステインを導入するためのmRNA制御エレメントを持っていることが示唆されました.また,AlphaFold2を用いた構造予測においてもヘムリガンドの位置にセレノシステインが存在することが示唆されました (図4) .

図4 : セレノシステインをヘムリガンドとして持つncCYPの解析 (論文より引用)

これをさらに確かめるため,大腸菌でセレノシステインを導入できるように組換えタンパク質を調製し,解析を行いました.HR-MSおよびMS/MSによる測定,およびUV/Vis吸光度スペクトルの測定から確かにセレノシステインが取り込まれていることを確認しました (図5) .

図5 : HR-MSおよびUV/Vis分光法によるncCYPの測定 (論文より引用)

展望・まとめ

今までCysをヘムリガンドとして持つCYPのみ報告されていたにも関わらず,今回多くのCys以外のヘムリガンドを持つCYPが発見されました.このことはCYPの進化に新たな知見を与えるとともに,新たな研究分野を切り開く結果となることでしょう.特に,見出されたncCYPがどのような反応を触媒するのかに興味が持たれます.実際にこのncCYPが,エリスロマイシンなどに代表されるポリケタイド合成酵素 (PKS) などの近傍に存在していることが分かり,何かしらの酸化反応を触媒することが示唆されました (図6) .今後のncCYPの機能開拓に希望が持たれます.

図6 : ncCYPを含む生合成遺伝子クラスター (論文より引用)

 

参考文献

(1)   Zhang, X.; Li, S. Expansion of Chemical Space for Natural Products by Uncommon P450 Reactions. Nat. Prod. Rep. 2017, 34 (9), 1061–1089. https://doi.org/10.1039/c7np00028f.

(2)   Hamdane, D.; Zhang, H.; Hollenberg, P. Oxygen Activation by Cytochrome P450 Monooxygenase. Photosynth. Res. 2008, 98 (1–3), 657–666. https://doi.org/10.1007/s11120-008-9322-1.

関連リンク・記事

ケムステ記事:P450 BM3
https://www.chem-station.com/chemglossary2021/03cyp450.html

セレノシステインを含むタンパク質,セレノプロテインの紹介
https://www.jstage.jst.go.jp/article/brte/19/4/19_4_308/_pdf

熊葛

投稿者の記事一覧

天然有機化合物の生合成研究を行っております。遺伝子工学から酵素工学、有機化学など、広い分野に興味を持っております。

関連記事

  1. 中学生の研究が米国の一流論文誌に掲載された
  2. 有機反応を俯瞰する ー縮合反応
  3. 第16回次世代を担う有機化学シンポジウム
  4. 男性研究者、育休後の生活を語る。
  5. 第三回ケムステVプレミアレクチャー「夢のある天然物創薬」を開催し…
  6. 目指せ抗がん剤!光と転位でインドールの(逆)プレニル化
  7. 種子島沖海底泥火山における表層堆積物中の希ガスを用いた流体の起源…
  8. 水素結合水H4O

注目情報

ピックアップ記事

  1. 【11月開催】第十三回 マツモトファインケミカル技術セミナー   二酸化炭素を原料とした有機化学物質の合成における有機金属化合物触媒の利用
  2. 安全なジアゾメタン原料
  3. 第32回「生きている動物内で生理活性分子を合成して治療する」田中克典 准主任研究員
  4. 不安定な高分子原料を従来に比べて 50 倍安定化することに成功! ~水中での化学反応・材料合成に利用可能、有機溶媒の大幅削減による脱炭素に貢献~
  5. ADEKAの新CMに生田絵梨花さんが登場
  6. ネイチャー論文で絶対立体配置の”誤審”
  7. Corey系譜β版
  8. CO2を用いるアルキルハライドの遠隔位触媒的C-Hカルボキシル化
  9. 2011年ロレアル・ユネスコ女性科学者 日本奨励賞発表
  10. アメリカで Ph.D. を取る –奨学金を申請するの巻–

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2025年2月
月 火 水 木 金 土 日
 12
3456789
10111213141516
17181920212223
2425262728  

注目情報

最新記事

大学院留学してよかったこと, 悪かったこと【英語, 経済面, オーバードクターに関するお話】

海外の大学で、その大学に籍を置く大学 (院) 生として留学することは「学位留学」と呼ばれたりします。…

光前駆体法の活用によって、ヘプタセンで初の一重項分裂を観測!

第725回のスポットライトリサーチは、京都大学大学院 理学研究科化学専攻 有機元素化学研究室(山田研…

【スタッフ・寄稿募集】Chem-Stationで、化学を「伝える側」になりませんか?

Chem-Station(ケムステ)は2000年に開設された国内最大の化学ポータルサイトです。大学・…

第17回大津会議―とある参加者の記録―

2026年9月28日~29日に開催された第17回大津会議についての、とある参加者の記録です。この記事…

第17回大津会議 -Otsu Conference- 2026 開催報告 ~新体制で紡ぐ「有機合成の夢」~

第17回大津会議が2026年9月28日(月)〜9月29日(火)びわ湖大津プリンスホテルにて開催されま…

有機合成化学協会誌2026年10月号:医薬品プロセス開発・σ芳香族性・含窒素複素環・メロテルペノイド二量体・高歪み化合物

有機合成化学協会が発行する「有機合成化学協会誌」2026年10月号がオンラインで公開されています。…

時代は水だ! セメントのように水と混ぜるだけで成形・硬化できる「水硬性」高分子

第724回のスポットライトリサーチは、東京科学大学物質理工学院(大塚研究室)博士前期課程2年の徳満玲…

複雑さを設計して、結晶の動きをプログラムする

第723回のスポットライトリサーチは、高知工科大学大学院工学研究科(林研究室) 博士後期課程3年の樋…

ハロゲンの力で強力な結合を切断!天然物クマリンから医薬品・機能性材料原料のクマラノン類へ

第 722 回のスポットライトリサーチは、立命館大学大学院薬学研究科薬学専攻 精密合…

観察を写真で残す!カメラ内蔵リアクタ EasyMax 102i を使ってみた

反応の温度も、攪拌(かくはん)も、滴下も、サンプリングもいまや自動で記録される時代になりました。とこ…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP