中性子結晶構造解析で明らかになったビリン還元酵素PcyA基質複合体の2つの水素化状態と構造的特徴

Two protonation states and structural features of a bilin reductase PcyA revealed by neutron crystallography

海野 昌喜*; 杉島 正一*; 和田 啓*; 萩原 義徳*; 日下 勝弘*; 玉田 太郎; 福山 恵一*

Unno, Masayoshi*; Sugishima, Masakazu*; Wada, Kei*; Hagiwara, Yoshinori*; Kusaka, Katsuhiro*; Tamada, Taro; Fukuyama, Keiichi*

シアノバクテリアや植物のような光合成生物は、細胞内にビリン色素と呼ばれる光を集める色素をもっている。そのビリン色素を分子内にもつタンパク質のいくつかは、シアノバクテリアなどでは光合成、高等植物では開花や紅葉・落葉などをコントロールするシグナル伝達の役割を担う。フィコシアノビリン(PCB)はその両方に使われる重要なビリン色素の1つであり、PCBはヘム分解産物であるビリベルジン(BV)から、フェレドキシンにより供給される電子を使って酵素PcyAにより合成される。今回、我々はシアノバクテリア由来PcyAの立体構造をBVとの複合体状態で中性子結晶解析により決定した。BVは2つの状態(通常の状態と1つ水素が付いたBVHの状態)で存在していたが、近接したPcyA中のAsp105もBVの状態に対応して2つの状態(プロトン化および解離状態)で存在していた。さらに、BV近傍のHIs88とHis74間にヒドロニウムイオンが存在することを観察できた。また、中性子解析の結果はX線解析における照射損傷の影響も明らかにした。

Bilin compounds are fundamentally important for oxygenic photosynthetic organisms, because they are utilized as pigments for photosynthesis (phycobilins) and photoreceptors (phytochromobilin). Phycocyanobilin (PCB), a phycobilin, comprises the chromophore of algal phytochromes and the core phycobiliprotein antennae of cyanobacteria and red algae. PCB is biosynthesized by a member of the ferredoxin-dependent bilin reductase family, phycocyanobilin:ferredoxin oxidoreductase (PcyA). In the present study, we determined the neutron crystal structure of PcyA in complex with its substrate biliverdin (BV). This neutron structure revealed the protonation state of BV and the surrounding residues. We found that two forms of BV, neutral BV and protonated BVH, were coupled with the two conformation/protonation states of the essential residue Asp105. Further, His88 and His74 near BV were singly protonated and were connected with an intervening hydronium ion. Neutron analysis also revealed how X-ray irradiation of the PcyA-BV crystal altered the structure of the PcyA-BV complex.