"Crystal lattice engineering", an approach to engineer protein crystal contacts by creating intermolecular symmetry; Crystallization and structure determination of a mutant human RNase 1 with a hydrophobic interface of leucines

"結晶格子工学"分子対称性の導入による結晶化へのアプローチ; ヒトRNase1へのロイシンによる疎水的相互作用の導入による結晶化と立体構造解析

山田 秀徳*; 玉田 太郎; 小坂 恵*; 宮田 幸平*; 藤木 伸哉*; 田納 優*; 守屋 雅之*; 山西 守*; 本庄 栄二郎; 多田 宏子*; 井野 剛文*; 山口 宏*; 二見 淳一郎*; 妹尾 昌治*; 野本 貴志*; 平田 知子*; 吉村 元伸*; 黒木 良太

Yamada, Hidenori*; Tamada, Taro; Kosaka, Megumi*; Miyata, Kohei*; Fujiki, Shinya*; Tano, Masaru*; Moriya, Masayuki*; Yamanishi, Mamoru*; Honjo, Eijiro; Tada, Horiko*; Ino, Takefumi*; Yamaguchi, Hiroshi*; Futami, Junichiro*; Seno, Masaharu*; Nomoto, Takashi*; Hirata, Tomoko*; Yoshimura, Motonobu*; Kuroki, Ryota

タンパク質の結晶格子は分子表面同士の相互作用からなっている。結晶格子内へのタンパク質の導入のため、ロイシンジッパー様の疎水的な相互作用をヒト膵臓RNase1のへリックス2へ導入した。野生型ヒトRNase1の結晶化はまだ報告をされていないが、4残基のロイシンを導入したRNase1では複数の結晶化条件で結晶を得た。そのX線結晶構造をウシRNaseAの立体構造を用いて分子置換法により決定した。こうして決定されたヒトRNase1の立体構造は、ウシRNaseAの立体構造と大変似ており、導入したロイシン残基を介して2分子のRNase1が疎水的なパッキングしていた。ロイシン導入の効果をさらに検討するために、導入したロイシン残基の数を3残基,2残基と減らした変異体を調製し結晶化を行った。これらの場合もロイシン残基による疎水的なパッキングが形成されていた。一方、ロイシン残基をヒトRNase1の別のへリックス(へリックス3)に導入し、効果を検証した。その結果、4残基のロイシンを導入した変異体でも結晶化し、4分子のRNase1が導入したロイシン残基を介してパッキングをしていることがわかった。これらの結果は、適切なロイシン導入により分子内対称性が生じ、より効果的に結晶化を促進する可能性を示す。

In an attempt to control protein incorporation in a crystal lattice, a leucine zipper-like hydrophobic interface (comprising four leucine residues) was introduced into a helical region (helix 2) of the human pancreatic ribonuclease 1 (RNase 1) that was predicted to form a suitable crystallization interface. Although crystallization of wild type RNase 1 has not yet been reported, the RNase 1 mutant having four leucines (4L-RNase 1) was successfully crystallized under several different conditions. The crystal structures were subsequently determined by X-ray crystallography by molecular replacement using the structure of bovine RNase A. The overall structure of 4L-RNase 1 is quite similar to that of the bovine RNase A, and the introduced leucine residues formed the designed crystal interface. To further characterize the role of the introduced leucine residues in crystallization of RNase 1, the number of leucines was reduced to three or two (3L- and 2L-RNase 1, respectively). Both mutants crystallized and a similar hydrophobic interface as in 4L-RNase 1 was observed. A related approach to engineer crystal contacts at helix 3 of RNase 1 (N4L-RNase 1) was also evaluated. N4L-RNase 1 also successfully crystallized, and formed the expected hydrophobic packing interface. These results suggest that appropriate introduction of a leucine zipper-like hydrophobic interface can promote intra molecular symmetry for more efficient protein crystallization in crystal lattice engineering efforts.