High-resolution neutron structure analyses of porcine pancreatic elastase

ブタ膵臓エラスターゼの高分解能中性子構造解析

玉田 太郎; 木下 誉富*; 栗原 和男; 多田 俊治*; 黒木 良太

Tamada, Taro; Kinoshita, Takayoshi*; Kurihara, Kazuo; Tada, Toshiji*; Kuroki, Ryota

エラスターゼは、蛋白質の立体構造に基づく薬物設計(Structure Based Drug Design: SBDD)研究の代表的な題材として用いられてきたセリンプロテアーゼである。エラスターゼの全原子構造情報取得によってセリンプロテアーゼの触媒機構解明を目指すとともに、SBDD研究に供するため、ブタ膵臓由来のエラスターゼ(PPE)の単独および阻害剤複合体での中性子結晶構造解析を実施した。中性子回折実験はJRR3に設置された生体高分子用回折計BIX-3において実施し、同一結晶を用いて取得したX線回折データを相補的に用いた構造精密化により高精度の全原子構造情報を取得した。PPE単独(1.9分解能)、およびエラスターゼの基質を模倣したペプチド様の阻害剤との複合体状態(1.65分解能)での中性子構造解析に成功した。今回取得した阻害剤結合前・後の水素原子を含む全原子構造情報は、これまでにセリンプロテアーゼの触媒機構において議論されてきた反応開始時の活性化制御機構や遷移状態における低障壁水素結合の存在や酸素陰イオンホールの形成について重要な知見を与えると同時に、活性部位の水和構造の変化についても重要な知見を与えた。

Elastase is a serine protease classified in the chymotrypsin family, and is attractive target for studies of structure based drug design (SBDD). The structural information including hydrogen positions and hydration will help us to further elucidate the catalytic mechanism of serine protease. To obtain such structural information, we performed the neutron structure analyses of porcine pancreatic elastase (PPE) with and without its inhibitor using diffraction data obtained at a BIX-3 diffractometer in the research reactor JRR-3. The PPE structure in complex with/without peptidic inhibitor, which was used to mimic the tetrahedral intermediate state, was determined to 1.65/1.90 resolution, respectively. This structural information allows us to understand the role of resting state upon the catalytic reaction. Furthermore, the structural change of the active site residues including hydration structure obtained from the comparison between structures with and without inhibitor may help designing potent inhibitors by SBDD.