Structural analysis of L-amino acid oxidases with strict substrate specificity

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放線菌L-グルタミン酸酸化酵素（LGOX）は基質特異性が厳格なため，バイオセンサーとして世界的に利用されている。LGOXの特徴である高基質特異性の要因解明のため，リガンド非結合状態のLGOXの構造解析，ドッキングスタディ，変異酵素の構造解析を通じ，活性中心残基の機能解析と役割の考察を行ってきた．その結果活性中心残基の中で，Arg305が鍵残基であることTrp564及びGlu617の3残基が厳格な基質認識に重要であることがわかった．今回より詳細な基質認識機構を明らかにすることを目的として，LGOXと基質L-Gluの複合体と変異酵素E617Q-LGOXのX線結晶構造解析を行い，基質非結合の構造と比較解析した．2段階のカラム精製を行った高純度酵素サンプルを用いて結晶化・構造解析を行った結果，長年未解明であったLGOXの基質複合体構造を明らかにできた．鍵残基のArg305に加え，His312が基質側鎖カルボキシ基と相互作用しており，この2残基が基質の側鎖認識に重要であることがわかった．さらにGlu617とAsp433がArg305と相互作用しており，Arg305の位置を固定していることがわかった. 以上4対の水素結合からなるネットワークが基質結合時に形成されており，厳格な基質認識に寄与していると考えられる．基質非結合の構造と比較したところ，Asp319－Trp327で構成されるループ構造が，基質結合状態では基質ポケットを覆うように移動していることがわかった．これによりLGOXは基質L-Gluを保持しやすく，高い反応性を示していると考えられた．以上の結果より，基質の側鎖認識を担うArg305，His312を含む水素結合ネットワークと，基質ポケットを覆うように移動するループ構造といった構造的特徴が，本酵素のL-Gluに対する厳格な基質特異性と高い反応性をもたらすと考えられる．