銅代謝酵素に隠された活性調節機構を解明~酵素電極反応を駆使した反応機構解析~

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2026-01-23 京都大学

本研究は、大腸菌由来の銅排出酸化酵素CueOにおける活性調節機構を、直接電子移動型(DET型)酵素電極反応を用いて解明した。CueOは毒性の高い1価銅イオン(Cu⁺)を2価銅イオン(Cu²⁺)へ酸化し、細胞内の銅恒常性を維持する重要な酵素である。研究グループは、Cu²⁺存在下で観測されるCueOの還元的不活性化に着目し、構造解析に基づいて第8の銅結合部位(Cu8)が鍵であると仮説を立てた。Cu8結合に関与するヒスチジン残基を置換した変異体を作製し電気化学的に評価した結果、不活性化が大きく抑制され、Cu8の結合能と酸化還元電位が活性制御に関与することが明らかとなった。さらに、この調節機構は溶液反応系でも確認され、生体内におけるCu²⁺/Cu⁺比制御への関与が示唆された。本成果は、銅代謝の理解を深めるとともに、高機能なDET型酵素設計への指針を与える重要な知見である。

銅代謝酵素に隠された活性調節機構を解明~酵素電極反応を駆使した反応機構解析~
CueOが制御する細胞内銅代謝のイメージ

<関連情報>

銅排出酸化酵素の還元的不活性化におけるヒスチジン配位子による不安定銅の役割 Roles of Labile Copper Coordinated by Histidine in Reductive Inactivation of Copper Efflux Oxidase

Taiki Adachi,Toshitada Takei,Takumi Nishiyama,Kenji Kano,Satoshi Yamashita,Kunishige Kataoka,and Keisei Sowa
Inorganic Chemistry  Published: December 11, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.5c03674

Abstract

Copper efflux oxidase (CueO) is involved in copper homeostasis in Escherichia coli by catalyzing the oxidation of cuprous ion (Cu+) to cupric ion (Cu2+). CueO has been studied as a direct electron transfer (DET)-type bioelectrocatalyst owing to its high dioxygen-reducing activity. Our previous study demonstrated reductive inactivation in the DET-type bioelectrocatalysis of CueO in the presence of Cu2+, which was known to facilitate substrate oxidation in solution. Considering the structural data, we hypothesized that eighth bound copper (Cu8) induced reductive inactivation. CueO variants deleting putative Cu8 ligands (His145, His406, and Met417) were characterized bioelectrochemically. As expected, the inactivation was significantly suppressed in H145A while being slightly suppressed in the H406A variant. In contrast, Cu2+ tolerance was slightly decreased in the M417A variant. These results indicate that His145 and His406 are the main and auxiliary ligands, respectively, of Cu8 that induce reductive inactivation, whereas Met417 might contribute to stabilizing the Cu8 coordination sphere. Furthermore, kinetic analysis revealed that the deletion of Cu8 ligands affected both the binding and redox kinetics of the enzyme–substrate–copper complex. Additionally, Cu8-induced inactivation was observed using an enzymatic assay in solution. Therefore, reductive inactivation likely occurs in concert with biological Cu+ oxidation, which may contribute to regulating the Cu2+/Cu+ ratio.

生物化学工学
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