低電位フェレドキシンにおける酸化還元安定性のプロトン化/脱プロトン化駆動スイッチ

Concetti Chiave

低電位フェレドキシンにおいて、[4Fe-4S]クラスター近傍のアスパラギン酸残基の側鎖のプロトン化状態が、還元状態の安定性に影響を与え、酸化還元電位を制御する重要な役割を果たしている。

Sintesi

研究論文の概要

書誌情報

Kurokawa, K., Fujii, K., Kobayashi, K., Imada, Y., Mori, M., Nakagawa, N., ... & Unzai, M. (2023). Protonation/deprotonation-driven switch for the redox stability of low-potential ferredoxin. Proceedings of the National Academy of Sciences, 120(14), e2215170120.

研究目的

本研究は、低電位フェレドキシンにおける[4Fe-4S]クラスターの酸化還元電位制御機構を解明することを目的とした。

実験方法

好熱性細菌Bacillus thermoproteolyticus由来の低電位[4Fe-4S]フェレドキシン(BtFd)を用いて、中性子結晶構造解析により[4Fe-4S]クラスター周辺の水素結合ネットワークを決定した。さらに、実験的に決定された水素結合ネットワークに基づいて密度汎関数理論(DFT)計算を行い、[4Fe-4S]クラスターの酸化還元安定性に対する水素結合の影響を調べた。また、BtFdとその変異体を用いた分光学的測定および電気化学的測定を行い、DFT計算の結果を検証した。

結果

中性子結晶構造解析の結果、[4Fe-4S]クラスター近傍のAsp64の側鎖が、[4Fe-4S]クラスターと水素結合を形成する可能性が示唆された。DFT計算の結果、Asp64の側鎖がプロトン化されると、[4Fe-4S]クラスターの還元状態が不安定化することが示された。BtFdのAsp64を変異させた変異体を用いた分光学的測定および電気化学的測定の結果、Asp64の中性化変異は、[4Fe-4S]クラスターの酸化速度を低下させ、酸化還元電位を正方向にシフトさせることが明らかになった。

結論

本研究の結果は、低電位フェレドキシンにおいて、[4Fe-4S]クラスター近傍のアスパラギン酸残基の側鎖のプロトン化状態が、還元状態の安定性に影響を与え、酸化還元電位を制御する重要な役割を果たしていることを示唆している。

意義

本研究は、低電位フェレドキシンにおける[4Fe-4S]クラスターの酸化還元電位制御機構を明らかにした初めての報告であり、フェレドキシンが関与する様々な生物学的電子伝達反応の理解に大きく貢献するものである。

制限と今後の研究

本研究では、BtFdとその変異体を用いて解析を行ったが、他の生物種由来のフェレドキシンにおいても同様の機構が働いているかどうかは不明である。今後、様々な生物種由来のフェレドキシンを用いて解析を進めることで、本研究で提唱された機構の普遍性を検証する必要がある。

Statistiche

野生型BtFdの酸化の半減期（T1/2）は100秒であった。
D64A変異型BtFdのT1/2は166秒で、野生型よりも約1.7倍遅かった。
D64N変異型も170秒と遅い酸化速度を示した。
野生型BtFdの酸化還元電位は-346 mVと推定された。
D64AおよびD64N変異型BtFdの電位は、それぞれ-276 mVおよび-286 mVであった。
D64E変異型の電位は-346 mVで、野生型と同程度であった。
Asp64の中性化変異は、酸化還元電位を60〜70 mV 正方向にシフトさせる。
D64R変異型の電位は-307 mVと推定されたが、その偏差は大きい（± 41.6 mV）。

Citazioni

"These findings provide the first identification of intrinsic factors controlling the redox stability of the [4Fe-4S] cluster in low-potential ferredoxins."
"To our knowledge, this is the first proposed mechanism of the intrinsic control factor of redox potentials of the [4Fe-4S]/[3Fe-4S] cluster in low-potential ferredoxins."

Approfondimenti chiave tratti da

Protonation/deprotonation-driven switch for the redox stability of low-potential [4Fe-4S] ferredoxin

by Wada,K., Kob... alle www.biorxiv.org 09-14-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.12.612615v2

Domande più approfondite

本研究で提唱されたプロトン化/脱プロトン化による酸化還元電位制御機構は、他の鉄硫黄クラスタータンパク質にも適用できるのか？

本研究では、低電位[4Fe-4S]/[3Fe-4S]フェレドキシンにおいて、Asp64（またはそれに相当する残基）のプロトン化状態が[4Fe-4S]/[3Fe-4S]クラスターの酸化還元電位制御に重要な役割を果たすことを示唆しました。この機構が他の鉄硫黄クラスタータンパク質にも適用できるかどうかは、現時点では断言できません。
しかし、いくつかの鉄硫黄クラスタータンパク質において、活性部位近傍の酸性アミノ酸残基が酸化還元特性に影響を与えるという報告があります。これは、本研究で提唱された機構が、他の鉄硫黄クラスタータンパク質にも共通する可能性を示唆しています。
より広範な鉄硫黄クラスタータンパク質への適用可能性を検証するためには、以下の点について更なる研究が必要です。

様々な鉄硫黄クラスタータンパク質において、活性部位近傍の酸性アミノ酸残基のプロトン化状態と酸化還元電位の相関を調べる。
プロトン化状態の変化が、鉄硫黄クラスターの電子状態や周辺環境に与える影響を、分光学的手法や計算化学的手法を用いて詳細に解析する。

Asp64以外の残基の変異が、[4Fe-4S]クラスターの酸化還元電位に影響を与える可能性はあるのか？

はい、Asp64以外の残基の変異も、[4Fe-4S]クラスターの酸化還元電位に影響を与える可能性はあります。
本研究では、Asp64が[4Fe-4S]クラスターの酸化還元電位制御において重要な役割を果たすことを明らかにしましたが、他の残基の影響を完全に否定するものではありません。特に、以下のような残基の変異は、酸化還元電位に影響を与える可能性が考えられます。

[4Fe-4S]クラスターのリガンドであるシステイン残基: これらの残基の変異は、[4Fe-4S]クラスターの電子状態を直接変化させる可能性があります。
[4Fe-4S]クラスター周辺の疎水性残基: これらの残基は、水分子との相互作用を調整することで、[4Fe-4S]クラスターの酸化還元電位に影響を与える可能性があります。
[4Fe-4S]クラスター周辺の水素結合に関与する残基: これらの残基の変異は、水素結合ネットワークを変化させることで、[4Fe-4S]クラスターの酸化還元電位に影響を与える可能性があります。
これらの残基の変異の影響を調べることは、[4Fe-4S]クラスターの酸化還元電位制御機構をより深く理解するために重要です。

フェレドキシンは、細胞内でどのようにして適切な酸化還元状態に維持されているのか？その分子メカニズムを解明する上で、本研究の発見はどのようなヒントになるのか？

フェレドキシンは、細胞内での酸化還元反応の電子伝達体として機能するため、その酸化還元状態は厳密に制御されている必要があります。本研究で明らかになった、Asp64のプロトン化状態が[4Fe-4S]クラスターの酸化還元電位を制御するという機構は、フェレドキシンが適切な酸化還元状態を維持する仕組みの一端を説明する可能性があります。
具体的には、以下のような分子メカニズムが考えられます。

パートナータンパク質との相互作用: フェレドキシンは、電子受容体や電子供与体となる様々なパートナータンパク質と相互作用します。この相互作用によって、Asp64のプロトン化状態が変化し、フェレドキシンの酸化還元電位が調節される可能性があります。
細胞内pHの変化: 細胞内pHは、代謝状態や環境ストレスなどによって変動します。Asp64のpKa値は、周囲の環境に影響を受ける可能性があり、細胞内pHの変化がAsp64のプロトン化状態、ひいてはフェレドキシンの酸化還元電位に影響を与える可能性があります。
未知の制御因子: フェレドキシンの酸化還元状態を制御する、Asp64のプロトン化状態以外にも、未知の制御因子が存在する可能性があります。例えば、特定の酵素によるAsp64のリン酸化やアセチル化などの翻訳後修飾が、フェレドキシンの酸化還元電位を制御している可能性も考えられます。

本研究の発見は、フェレドキシンが適切な酸化還元状態を維持する仕組みを理解するための重要な手がかりとなります。今後、本研究で提唱された機構を基に、更なる研究を進めることで、フェレドキシンによる細胞内酸化還元制御の全容解明に繋がることが期待されます。