大型放射光施設 SPring-8

公開日

2019年11月07日

2019年11月7日
自然科学研究機構 分子科学研究所

研究の背景
水素ガスの酸化反応・プロトンの還元反応を触媒する酵素であるヒドロゲナーゼは、バクテリアなどによる水素代謝において中心的な役割を果たしている他、最近では燃料電池用触媒としての利用も期待されている金属酵素 ^[注１] です。ヒドロゲナーゼは、酵素中に含まれる金属イオンの違いにより、 [ニッケル・鉄]型、[鉄・鉄]型、 [鉄]型の三種に分類され、それぞれ異なる構造を有する金属錯体（図１）がタンパク質中に結合し、酵素の活性中心として機能しています。これら三種の酵素活性中心の構造は異なっていますが、ヒドロゲナーゼが活性を示すためには、いずれの場合も一酸化炭素（CO）が活性中心中の鉄イオンに配位していることが必須の条件となります。ここで用いられている一酸化炭素が、生体中の酵素反応によって合成されていることは分かっていましたが、その詳細については不明な状況でした。

研究成果の概要
本研究では、[ニッケル・鉄]型ヒドロゲナーゼが利用しているCOの生合成に関わる酵素（HypX）の結晶構造を決定し、HypXがこれまでに全く例の無い反応により一酸化炭素を合成していることを明らかにしました。HypXは二つのドメイン（N末ドメインとC末ドメイン）から構成されており、分子内部にはこれら二つのドメインにまたがる形で大きな空洞（キャビティー）が存在していました（図２）。また、C末ドメイン側のキャビティーには、補酵素A（coenzyme A: CoA）が結合していることも分かりました。

HypXのN末ドメインとC末ドメインでは、それぞれ異なる二つの化学反応が進行します。N末ドメインでは、反応基質としてN末ドメイン中のキャビティーに結合したホルミルテトラヒドロ葉酸からCoAへのホルミル基転移反応が進行します（図３中の反応ステップ１）。この時、キャビティー中のCoAは直鎖状に伸びたコンフォメーションを取り、CoAの末端にある-SH基はN末ドメインに結合したホルミルテトラヒドロ葉酸中のホルミル基の側に位置し、CoAへのホルミル基転移反応によりホルミル-CoAが反応中間体として生成します。生成したホルミル-CoAは、CoA分子の末端部分に存在するホルミル基が、HypXのC末ドメイン中の酵素活性サイトに位置するよう、キャビティー中で大きくそのコンフォメーションが変化します（図３中の反応ステップ２）。C末ドメインでは、ホルミル-CoAからのCO脱離反応が進行し、COとCoAが生成します（図３中の反応ステップ３）。

本研究で明らかになったCO合成反応は、これまでに全く例の無い反応です。CoAは、生体中における脂肪酸代謝やクエン酸回路によるエネルギー代謝において機能する補酵素^[注２] としてよく知られていましたが、CoA（ホルミル-CoA）がCO生合成反応に関与しているということは、これまでに全く報告されていませんでした。よく知られた補酵素であるCoAの新規な生理機能として、本研究で初めて明らかにされたものです。

成果の意義および今後の展開
金属酵素の生合成反応機構、特にそれらの金属含有活性中心がどのような機構で構築されるのかについては、不明な点が多く残されています。本研究では、燃料電池用触媒としての利用も期待されている金属酵素であるヒドロゲナーゼが生合成される際、その活性中心部分を構築するために必須となるCOの生合成反応を触媒する酵素の構造を、世界で初めて明らかにしました。今後は、本研究で得られた成果を基に、ヒドロゲナーゼ生合成反応の全貌解明に向けた研究に取り組んで行きたいと考えています。

用語解説

研究グループ
本研究は、自然科学研究機構生命創成探究センター（ExCELLS）／分子科学研究所および大阪大学が参加した共同研究です。

研究サポート
科学研究費補助金 基盤研究(B) (17H03093)