病原菌に存在するヘム分解酵素が有する鉄獲得とは異なる新たな生理機能

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本研究は病原菌に存在するヘム分解酵素によって生じたヘムの分解産物であるビリベルジンに注目し、その生理機能を分子進化の過程から明らかにすることを目的としている。ビリベルジンを光合成の出発原料に利用するシアノバクテリアには、機能不明のタンパク質Alr5027が存在し、これは代表的な病原菌であるコレラ菌に存在するヘム分解酵素HutZの相同体である。アミノ酸の相同性より系統樹ではAlr5027と他の細菌類を含めたHutZとで枝の分岐を示していた。さらにAlr5027とHutZの配列を比較すると、Alr5027ではヘム分解反応に必要であるArg、Aspは保存されてたものの、ヘムの結合に必要な軸配位子のHisが保存されておらず、Lys164となっていた。したがって、HutZ型ヘム分解酵素を持つ病原菌は進化の過程でAlr5027を改変することでヘム分解酵素を獲得したと考え、分子進化を通しヘム分解酵素の生理機能を検討するためAlr5027のヘムの分解機能の付加を試みた。ヘムと結合するのかを紫外可視吸収スペクトルを用いて検討したところ、ヘムとの結合は観測されなかった。そこでLys164をHisに置換した変異体（K164H）を作成したところヘムとの結合が観測された。この変異体がヘムの分解反応を行うのかを検討するため、過酸化水素を加えヘム分解反応を観測すると、ヘム分解酵素のみで観測される反応中間体ベルドヘムの生成を確認した。Hisを挿入する位置をN末端側、C末端にそれぞれ一残基ずらしても、ヘムの結合が観測されず、ベルドヘムの生成量が著しく少なかったので、Lys164の位置にHisを置換することがAlr5027のヘム分解活性の獲得には最適であった。以上より、Lys164をHisに変異しただけでAlr5027にはヘムが結合し、ヘムの自己酸化反応であるヘム分解反応の機能を付加することに成功した。