酵素［ＮｉＦｅＳｅ］ヒドロゲナーゼの分子進化メカニズムを解明

ポイント

• 酵素の分子進化は系統樹解析に基づいて、アミノ酸配列の比較のみが議論されてきたが、立体構造情報に基づいて酵素機能を議論する方法がなかった。
• 配列情報から信頼性の高い立体構造情報を計算する手法を確立し、酵素の分子進化を立体構造の変遷として再現することに世界で初めて成功した。
• バクテリア種の系統樹解析に基づく宿主の環境適応モデルと、今回開発した立体構造計算化学の組み合わせによる手法が普及することにより、タンパク質の分子進化研究が大きく前進することが期待される。

＜業績＞

田村教授らの研究グループは、公開されている硫酸還元菌のゲノム情報から新たに９種の［ＮｉＦｅＳｅ］ヒドロゲナーゼを発見し、セレン含有ヒドロゲナーゼのファミリーが普遍的な［ＮｉＦｅ］型から派生した共通祖先に由来する系統であることを突き止めました。また、セレノシステイン（Ｓｅｃ）残基を翻訳するための特殊な翻訳装置を構成する遺伝子群が［ＮｉＦｅＳｅ］ヒドロゲナーゼの分子進化に伴って継承されてきたことも発見しました。細菌では種の系統をたどることは極めて困難とされてきましたが、複数のマーカー遺伝子群の発見により細菌の種の系統をたどる道筋を示すことができました。同時に硫酸還元菌の共通祖先菌が地球上のさまざまな生息環境に適応しながら種の多様性を拡大させてきた背景に［ＮｉＦｅＳｅ］ヒドロゲナーゼの分子進化が深く関わってきたことも示されました。

次に本研究グループは、密度汎関数を用いた力場パラメータやタンパク質の分子内相互作用の最適化計算などを分子動力学計算に取り込み、スーパーコンピューターを駆使して配列情報から信頼性の高い構造情報を計算する斬新な計算化学の手法を確立しました。この手法を用いて、今回発見した９種類を含む全ての［ＮｉＦｅＳｅ］ヒドロゲナーゼのアミノ酸配列を立体構造として再現しました。その結果、ある種の［ＮｉＦｅＳｅ］ヒドロゲナーゼが持つ巨大な穴（ガス・キャビティ）は、深海の熱水噴出口のような酸素が存在せずに水素が潤沢に供給される環境に適応した菌において形成されたものであり、日中は陽光が差し込み酸素を発生する光合成生物が繁殖する浅瀬の堆積層に生息する菌では、ガス・キャビティが閉じた立体構造を維持してきたことがわかりました。ガス・キャビティの構造の差は、微生物が生息する環境の酸素曝露リスクに応じて、立体構造を大胆に変化させてきた経緯とメカニズムを示しています。

本研究成果は、系統樹として算出された配列情報を生物学的に意味のある立体構造として描くことができた最初の研究成果であり、酵素の分子進化を立体構造の変遷として考察できることを提案した画期的成果でもあります。従来、不可能とされてきたことを可能にした革新的な本研究成果は、タンパク質の分子進化研究に大きく寄与すると共に、将来的な産業応用にも大きな波及効果をもたらすことが期待されます。

＜背景＞

ヒドロゲナーゼ

水素代謝酵素ヒドロゲナーゼには、［ＦｅＦｅ］型、［ＮｉＦｅ］型、セレンを含有する［ＮｉＦｅＳｅ］型がありますが、このうち［ＮｉＦｅＳｅ］ヒドロゲナーゼは２％程度の酸素存在下でも水素製造能力を維持する高い酸素耐性を持つことで世界的に注目されています。［ＮｉＦｅＳｅ］ヒドロゲナーゼは、これまでに３種の硫酸還元菌の中でのみ存在が知られていました。

今回、本研究グループは、高い酸素耐性を持つ［ＮｉＦｅＳｅ］ヒドロゲナーゼを、さまざまな生息環境に分布する９種の細菌から新たに発見しました。これらの新規な［ＮｉＦｅＳｅ］ヒドロゲナーゼの分子系統の解明に取り組みました。

タンパク質の分子進化の解析

酵素などのタンパク質の分子進化は、系統樹解析に基づいてアミノ酸配列の比較のみが議論されています。しかし、アミノ酸配列の比較では、立体構造の変遷が描けないため、何が淘汰されて何が継承されたのか、進化と適応の具体的かつ本質的な経緯が議論されていません。これまで、タンパク質の機能を理解する上で立体構造が必須であることは広く認識されていましたが、配列情報から信頼性の高い構造情報を計算する手法が確立されていなかったため、立体構造の変遷を考察できませんでした。

＜見込まれる成果＞

構造計算化学を取り入れた酵素の分子進化研究

本研究成果によって、タンパク質の分子進化を配列の比較だけでなく、立体構造の変遷に基づいて考察できることが示されました。分子進化を経て、微妙に変わっていくアミノ酸配列の裏で、タンパク質の立体構造に何が起きているのか、タンパク質の構造の変遷を計算化学の手法で再現する解析法は広く活用されることが期待されます。

バイオ燃料電池

本研究の解析によって提示された１２種類の［ＮｉＦｅＳｅ］ヒドロゲナーゼは、キャビティのサイズと形状に基づいて、高い酸素耐性が期待できる閉塞型酵素と、高い水素吸収能を特長とする開口型酵素などのバリエーションがあります。

今後、本解析法を用いて燃料電池の用途と目的に応じて最適な酵素を選択することができれば、熱損失のない水素と電気を相互変換するバイオ燃料電池の開発が期待されます。

バクテリア種の系統解析

バクテリア（細菌）では、遺伝子がある種から別の種に高い頻度で移動することがあるために、個々の遺伝子の系統関係に基づいて種の系統関係を考察することが困難でした。

本研究成果から、セレン含有酵素の生合成に関わる複数の遺伝子がゲノム上に散在しており、これらをマーカー遺伝子群として系統関係を比較することで、バクテリア種の系統関係を明確に解析できました。本解析法によりバクテリアの系統関係が明らかになったので、その局在と分離源から地球規模の環境の変遷を解明できると期待されます。

＜参考図＞

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