JP2000508163A - モノオキシゲナーゼシトクロムP450cam変異体 - Google Patents
モノオキシゲナーゼシトクロムP450cam変異体Info
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Abstract
(57)【要約】
334番目の部位のシステイン残基が除去されている、モノオキシゲナーゼシトクロムP450cam変異体。
Description
【発明の詳細な説明】
モノオキシゲナーゼシトクロムP450cam変異体
本発明は、モノオキシゲナーゼシトクロムP450cam変異体に関する。
モノオキシゲナーゼは、活性化された又は活性化されていない炭素−水素結合
の酸素を用いての選択的酸化を触媒し1、それゆえ有機合成における潜在的な使
用について大きな興味が持たれている。しかしながら、この領域における進歩は
、モノオキシゲナーゼ酵素及び/又は関連電子伝達タンパク質の十分な量を単離
することの困難性により妨げられてきた。150以上の異なるシトクロムP45
0モノオキシゲナーゼのアミノ酸配列が入手可能であるにもかかわらず、現在ま
で、入手できる構造のデータはわずか3種類のみであり2,3,4、細菌系において
首尾よく過剰発現しているものはほとんどない5。
可溶性かつ十分な量を発現することができる、あるシトクロムP450モノオ
キシゲナーゼは、ピー・プチダ(P.putida)由来の高度特異的P−450cam
であり、この酵素はショウノウの5−エキソ−ヒドロキシショウノウへの位置選
択的かつ立体選択的ヒドロキシル化を触媒する6。P−450camの高分解能
の結晶構造が測定され2、この細菌酵素の作用機序は哺乳類における対応物の作
用機序と非常に類似していると信じられているので、P−450camは、哺乳
類酵素の構造モデルが基本とする枠組み(framework)として利用されている。
P−450camのヌクレオチド配列及び対応するアミノ酸配列は文献に記載
されている5,7。この酵素の活性部位の位置は知られており、構造と機能との関
係が研究されてきている8,9。P−450camの変異体は、101、185、
247及び295番目の部位におけるもの9,10,11、並びに87番目の部位にお
けるもの12が文献に記載されている。96番目の部位のチロシン(Y96)が9
6番目の部位のフェニルアラニンに変化した変異体(Y96F変異体)が文献に
記載されている11,13,14,15。しかし、全ての場合において論文は、変異体の、
野生型酵素に対する基質としてあらかじめ示されている分子の酸化反応に対する
作用について報告している。どのように変異体を使用して、異なる新規な基質の
酸化に対する生体触媒を提供するかということについての教示は全くない。
新規な生体触媒を開発する試みにおいて、本発明者等はP−450camをリ
デザイン(redesign)し、野生型タンパク質に対する基質であろうとなかろうと
有機分子の特異的酸化を効率的に行うことができるようにすることを目的とする
計画を開始した。
図1に示されるように、P−450camの三次元構造は、活性部位が、ショ
ウノウの疎水基とのファン・デル・ワールス力による密接な接触(close van de
r Waals contact)を提供することを示している。ショウノウと244番目の部
位のロイシン、247番目のバリン及び295番目のバリンの側鎖との接触は特
に重要である。3つの芳香族残基(Y96、F87及びF98)は共にグループ
化(group)して、基質結合ポケット(substrate binding pocket)に並び、9
6番目のチロシンとショウノウのカルボニル炭素との間に水素結合を有する。こ
れは正しい配向で基質を維持し、反応の位置特異性かつ立体特異性を保証する。
Lipscomb等16は、1978年に、野生型のP−450camが二量体化する傾
向があることを実証したが、ショウノウ酸化に対するモノマー及びダイマーの触
媒活性は識別することができなかったことも報告している。二量体化反応はチオ
ール還元剤により逆転することができるので、二量体化反応は分子間システイン
ジスルフィド(S−S)結合形成により起こると結論づけた。彼らは、二量体化
が、P−450cam分子あたり1以上のシステインと関係するかどうかを決定
することができなかった。また、この反応に関与する鍵となるシステイン残基を
同定することもできなかった。なぜならば、P−450camのアミノ酸配列及
び結晶構造がこの時点では未知であったからである。
本発明者等は、分子モデリング化(molecular modelling)を使用して、活性
部位ポケット(active site pocket)における3つの芳香族残基(Y96、
F87、F98)に対する点変異の起こりうる作用を研究した。本発明者等は、
小さい疎水性非芳香族側鎖でこれらの芳香族残基のいずれかを置換すると、より
疎水性の基質と結合するために使用することができる「芳香族ポケット
(aromatic pocket)」を提供することができることに注目した。プログラム
GRID17を使用して、芳香族プローブと前記の残基をアラニンに変えたシトク
ロムP−450camの可能性のある変異体(F87A、Y96A及びF98A
)との間の相互作用エネルギーを計算した。次いで結果を、分子モデリングパッ
ケージ クォンタ(Quanta)18を使用して図解的に調べた。
変異体F98Aは、芳香族プローブに接近しやすい活性部位空洞(cavity)内
で強い結合相互作用を有し、Y96Aではわずかに小さく、F87Aでは実質的
に欠いている(less)ことが明らかになった。第一の例においては、96番目の
部位のチロシンをアラニンに変異させることに決定した。なぜならば、結合ポケ
ットに対してより中心的(central)であるからである。一方、98番目の部位
のフェニルアラニンはある面に対する溝の中に存在する。また、96番目の部位
のチロシンの除去は、ショウノウに対する基質特異性を減少させるだろう。なぜ
ならば、基質に対する水素結合が喪失するからである。
本発明の一面に従い、334番目のシステイン残基が除去されたモノオキシゲ
ナーゼシトクロムP450camの変異体が提供される。
好ましくは、除去は、システイン残基を、システイン残基以外の別のアミノ酸
で置換することにより行われる。
別に、除去は、334番目のシステイン残基全体を酵素から削除することによ
り行われる。
適宜、変異体中の96番目の部位のチロシン残基を、チロシン以外の別の残基
により置換する。
都合のよいことに、アミノ酸は、以下に示すアミノ酸:アラニン、アルギニン
、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン酸、グルタミン、グ
リシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、プロリン
、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン及びバリンからなる群より選
択される。ただし、334番目の部位がシステイン残基である場合には、アミノ
酸はシステインではなく、96番目の部位がチロシン残基である場合には、アミ
ノ酸はチロシンでない。
好ましくは、87、98、101、185、193、244、247、295
、297、395及び396番目の部位の1以上の部位におけるアミノ酸は、別
のアミノ酸残基により置換されている。
本発明者等は、公開されている結晶学的原子配位(crystallographic atomic
co-ordinate)から作成するP−450camの構造を、モデリングプログラム
クォンタを使用して調べた。本発明者等は、P−450cam表面近くに存在
し、タンパク質の二量体化を導く分子間ジスルフィド結合形成に関係しているか
もしれない5つのシステイン(58、85、136、148及び334番目のシ
ステイン)の存在を決定した。本発明者等は、部位特異的変異誘発を行い、これ
らのシステインをアラニンに置換し、5種のCys−Ala表面変異体(surfac
emutant)を生成した。
野生型P−450cam及び5種のCys−Ala表面変異体におけるタンパ
ク質二量体化の程度について研究した。野生型P−450cam並びにC58A
、C85A,C136A及びC148A変異体において、二量体の存在を、リソ
ース(Resource)Qカラム(ファルマシア)中のアニオン交換高速タンパク質液
体クロマトグラフィー(anion exchange fast protein liquid chromatography
)及びスーペローズ(Superose)12カラム(ファルマシア)中のゲル濾過サイ
ズ排除クロマトグラフィーの両者により検出した。一方、C334A変異体につ
いては、高濃度下に(0.1mMの範囲)においてさえも、二量体は検出されな
かった。本発明者等は、野生型P−450camは、2つのタンパク質分子中の
334番目の表面システインの間の分子間S−Sジスルフィド結合形成により二
量体化を受けると結論づけた。
C334A変異体は、望ましくないタンパク質の二量体化を除去するという明
白な利益を有し、したがって、溶液中における単量体種(single species)の存
在を常に保証する。更に、本発明者等は、この変異体の全く予期しない利益に注
目した。全てのタンパク質と同様に、野生型P−450camは静置状態におい
て凝集を示す。なぜタンパク質が凝集するのかは明確ではないが、P−450
cam凝集体は不溶性であり、かつ触媒作用的に不活性である。野生型並びに
C58A、C85A、C136A及びC148A変異体は、すべて、4℃におけ
る保存及び−20℃の50%グリセロール溶液中においてさえも、凝集及び二量
体化を示した。凝集は、ターンオーバーの間、特にあらゆる商業的に実行可能な
産業利用、特に有機分子合成において要求される高濃度のP−450camにお
いても起こるだろう。C334A変異体は、たとえmMの濃度で、室温下で3日
間以上経過しても、凝集のあらゆる証拠を示さなかった。したがって、C334
A変異体は、タンパク質の取扱い、保存及び増加した触媒の有効期間において有
利な作用を有する。
本発明者等は、96番目の部位における変異は、変異した酵素がかなり広範囲
の有機基質を触媒することを可能にする鍵であると信じている。酵素の活性部位
に隣接するその他のアミノ酸を、活性部位の形状及び特異性を変化させるために
変異させてもよい。これらその他のアミノ酸には、87、98、101、185
、193、244、247、295、297、395及び396番目の部位のア
ミノ酸が含まれる。これらの部位のうちの1以上の部位におけるアミノ酸を、活
性部位を拡張するために小さい疎水性アミノ酸により置換、又は活性部位を縮小
するために大きい疎水性アミノ酸により置換、又は基質の芳香族環と相互作用す
るために対応する芳香族環を有するアミノ酸により置換できることが予見されて
いる。
酸化反応に関して、条件は、添付した参考文献リストの文献に記載されている
。酵素系は、典型的に、変異した酵素に加えて、プチダレドキシン(putidaredo
xin)及び補因子としてのNADHと共のプチダレドキシンレダクターゼを含ん
でいる。シクロヘキシルベンゼン酸化の例は、以下の実験に関するセクションに
記載されている。有機化合物の種々のクラスは以下に予見及び記載されている。
本発明者等は、野生型P−450camは、以下に示すセクションに含まれる多
数の分子の酸化に対して活性であることに注目している。しかしながら、全ての
場合において、変異体P−450camタンパク質は、非常に高いターンオーバ
ー活性を示す。
i)有機化合物は、芳香族化合物、炭化水素又は酵素を失活又は変性させない
条件下において使用される化合物のいずれかである。変異は、酵素の活性部位中
の芳香族−結合ポケットを作成する目的で行われるので、変異した酵素は広範囲
の芳香族化合物の酸化を触媒することができる。例示としての芳香族及びポリ芳
香族(polyaromatic)化合物の酸化については、以下に示す実験セクションにお
いて実証されており、更に非常に驚くべきことに、野生型酵素はショウノウファ
ミリーのメンバーのみの酸化を触媒することが報告されていたが、その他幾つか
の分子、例えばスチレン19、エチルベンゼン9,10、テトラロン誘導体20及びニコ
チン21等に対して低い活性を示した。
ii)有機化合物は炭化水素、例えば官能基を有する脂肪族又は脂環式化合物
であってもよい(スキーム1参照)。芳香族保護基を、酸化反応の前に官能基に
付加し、酸化反応後に官能基から除去する。適当な芳香族基はベンジル基である
。保護基は2つの目的に対して役立つ。1つは、基質をより疎水性にし、それゆ
え疎水性酵素ポケットへの結合を増加させること。2つめは、基質を活性部位に
保持することを補助するかもしれないということである。したがって、正しい芳
香族保護基を使用することにより、基質の位置選択的かつ立体選択的なヒドロキ
シル化が達成されるだろう。1官能基化(monofunctionalised)炭化水素の例と
しては、シクロヘキシル、シクロペンチル及びアルキル誘導体があげられる(ス
キーム1)。これらの化合物の酸化生成物は、有機合成、特にホモキラル形態に
おいて生成するときの有益な出発物質である。芳香族保護基の範囲が予見されて
いる、例えばベンジル又はナフチルエーテル及びベンゾイルエーテル並びにアミ
ドである(スキーム1)。カルボキシル保護基としてのベンゾオキサゾール基及
びアルデヒド保護基としてのベンジルオキサゾリジン基は興味の対象になる。両
者とも酵素による酸化の後容易に切断することができ、アルデヒド及び酸の微生
物酸化についての文献に記載されている22。
iii)有機化合物は、C4〜C12の脂肪族又は脂環式炭化水素である。シ
クロヘキサン並びに直鎖及び分岐炭化水素の酸化は、以下に示す実験セクション
において実証されている。本発明者等は、野生型P−450camもこれらの分
子を酸化することができるが、その活性は低く、変異体では全ての場合において
実質的に高い活性を示すことを見出した。
iv)有機化合物はハロゲン化脂肪族又は脂環式炭化水素である。リンデン(
ヘキサクロロシクロヘキサン)の酸化についても以下に記載されている。
活性部位の置換と334番目の部位のシステインのアラニンへの表面変異
(surface mutation)とが組み合わされ、かつ96番目の部位のチロシン
(Y96)の代わりにアラニン、ロイシン、バリン又はフェニルアラニンを含ん
でいる変異体を構築した。最終的に、幾つかの活性部位変異(active site
mutation)と表面変異とを組合わせて、複数の変異を有する変異体酵素を構築し
た。シトクロムP−450cam、その天然の電子伝達パートナーであるプチダ
レドキシン及びプチダレドキシンレダクターゼをコードする遺伝子を、ピー・プ
チダ(P.Putida)の全細胞DNAから、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)を用
いて増幅した。使用した発現ベクター/大腸菌(E.coli)宿主の組み合わせは
、P−450camについてはJM109株中のpRH1091であり23、プチ
ダレドキシンについてはJM109株中のpUC118であり、プチダレドキシ
ンレダクターゼについてはDH5株中のpGL W11であった。オリゴヌクレ
オチドに向けられた、部位特異的変異(oligonucleotide-directed site-specif
ic mutagenesis)を、Zoller及びSmithの方法24に従い、M13mp19サブク
ローンを使用して行い、変異体の選択はKunkelの方法25により行った。
可能性のある基質の結合を、分光学的方法により研究した。基質の非存在下に
おける野生型酵素は、6−共配位(6-co-ordinated)低スピン形態であり、弱い
結合水は6番目の共配位部位を占有し、418nmに特徴的な最大ソーレー帯
(Soret maximum)を示す。ショウノウ及び基質類似体であるアダマンタノン、
アダマンタン及びノルボルナンの結合は、ヘムを、392nmに特徴的なソーレ
ー帯を有する5−配位高スピン形態に完全に転換した。このヘムのスピン状態の
シフト(haem spin-state shift)は、ヘムの還元ポテンシャルの増加により達
成され、このことは生理学上の電子伝達パートナーであるプチダレドキシンにP
−450camを還元させ、触媒作用的ヒドロキシル化サイクルを開始させるこ
とを可能にする26。したがって、ヘムのスピン状態シフトは、表1及び表2に示
されるように、野生型及びP−450cam酵素変異体により酸化される分子の
見込みの定性的な徴候になる。
緩衝液(50mM、トリス塩酸、pH7.4)であって、10μMプチダレド
キシン、2μMプチダレドキシンレダクターゼ、1μMシトクロムP−450c
amモノオキシゲナーゼ(野生型又は変異体)、200mM KCl、50μg
/mlウシ肝臓カタラーゼ(シグマ)及び1mMの標的有機化合物、例えばシク
ロヘキシルベンゼン(エタノール中の0.1Mストックとして添加)を含む緩衝
液、典型的には3m1を30℃で5分間プレインキュベートした。NADHを全
濃度が2mMになるよう添加することにより酵素反応を開始させた。追加の4つ
のNADHのアリコート(各回1mMずつNADH濃度を上昇させるため)を、
10分間隔で添加し、30分間インキュベートし、1つの基質のアリコート
(1mMずつ濃度を上昇させるため)も添加した。60分間経過後、クロロホル
ム0.5mlを添加し、混合物をボルテックスすることにより、反応を終了させ
た。層を、4℃における遠心分離(4000g)により分離した。クロロホルム
層をガスクロマトグラフィーにより分析した。
P−450camが介在する酸化生成物を商業的に入手することができるとは
限らない、多数の基質化合物、例えばシクロヘキシルベンゼンについては、クロ
ロホルム抽出物を窒素を流しながら乾燥するまで蒸発させた。残渣をヘキサンを
用いて抽出し、酸化生成物を高速液体クロマトグラフィーにより分離し、ヘキサ
ン/イソプロパノール勾配を用いて溶離した。精製した生成物を、質量分析装置
及び特に核磁気共鳴分光器により同定した。
水性緩衝液に対して異なる溶解度を有する異なる基質については、インキュベ
ート混合物に添加する基質量を、終濃度0.2〜0.4mMの間で変化させた。
NADH濃度を340nmでモニターし、全ての場合において、インキュベーシ
ョンの間に追加の基質及びNADHを添加した。
前記の実験技術を使用して、本発明者等は、野生型P−450cam及び変異
体Y96Aの両者に対する基質としてのかなりの数の有機化合物を研究した。研
究には、変異体:Y96V;Y96L:Y96f:C334A:複合(combined
)変異体:F87A−Y96G−F193A及び活性部位及び表面の複合変異体
:Y96A−C334A、Y96L−C334A、Y96F−C334A、
F87A−Y96G−F193A−C334Aを含んでいた。C334A及びC
334A−Y96Aについての結果を、表1及び2に示す。ここでは、構造的に
関連している分子を共にグループ化した。
表1は、変異体Y96A−C334Aによる、小さい直鎖、分岐及び環状炭化
水素の酸化に対するNADHの消費を列挙している。表2(a)〜2(h)は、
現在までに明らかになった変異体と基質の組み合わせについての生成物の分布を
列挙している。
344番目の部位におけるシステイン残基は、周知かつ自由に利用することが
できる標準的な制限技術により削除することができ、それゆえ本明細書には詳細
には説明しない。スキーム1: a値は、Sligarの方法(S.G.Sligar、Biochemistry.1976.15.5399-5406)を使
用した2つの独立した測定の平均値である。Kappの値は、緩衝液中のK+の濃度
に強く依存している。[K+]>150mMにおいて、ショウノウに対するKapp
は、野生型及びY96A共に0.6μMである。本表におけるデータは、高いイ
オン濃度における基質の塩析を避けるために、リン酸緩衝液(pH7.4)中、
[K+]=70mMにおいて測定した。b
飽和には達しなかった。 表3
P450cam変異体による小さいアルカンのターンオーバー
以下に列挙するすべての変異体はC334A変異を含んでいる。
NADH消費速度として測定したターンオーバー速度
(ナノモルNADH/ナノモルP450cam/秒)P450cam活性部位変異体による基質の酸化にしたがう生成物の構造及び分
布
「バックグラウンド」−典型的なバックグラウンドのNADH酸化速度は0.0
7ナノモルNADH(ナノモルP450cam)-1秒-1である。
【手続補正書】
【提出日】1998年5月1日(1998.5.1)
【補正内容】
請求の範囲
1. 334番目の部位のシステイン残基が除去されている、モノオキシゲナーゼ
シトクロムP450cam変異体。
2. 除去が、システイン残基を、システイン以外のアミノ酸で置換することによ
り行われる、請求の範囲第1項記載の変異体。
3. 除去が、酵素から、334番目の部位のシステイン全体を削除することによ
り行われる、請求の範囲第1項記載の変異体。
4. 変異体中の96番目の部位のチロシン残基が、チロシン以外の別のアミノ酸
で置換されている、請求の範囲第1項〜第3項のいずれかに記載の変異体。
5. アミノ酸が、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、グル
タミン酸、グルタミン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジ
ン、メチオニン、プロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン及
びバリンからなる群より選ばれる、請求の範囲第1項、第2項又は第4項のいず
れかに記載の変異体。
6. 87、98、101、185、193、244、247、295、297、
395及び396番目の部位の1以上の部位におけるアミノ酸が、別のアミノ酸
残基で置換されている、請求の範囲第1項〜第5項のいずれかに記載の変異体。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),EA(AM,AZ,BY
,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM
,AU,AZ,BB,BG,BR,BY,CA,CN,
CZ,EE,GE,HU,IL,IS,JP,KE,K
G,KP,KR,KZ,LK,LR,LS,LT,LV
,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,
PL,RO,RU,SD,SG,SI,SK,TJ,T
M,TR,TT,UA,UG,US,UZ,VN
(72)発明者 ニッカーソン ダーレン ポール
イギリス オックスフォード オーエック
ス1 3ユーエイチ マナー ロード ホ
リーウェル マナー(番地なし)
(72)発明者 ハート アルウィン ジェームズ
イギリス レスターシャー エルイー11
3キュービー ラフボロー ウッドブルッ
ク ロード 33
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. 334番目の部位のシステイン残基が除去されている、モノオキシゲナーゼ シトクロムP450cam変異体。 2. 除去が、システイン残基を、システイン以外のアミノ酸で置換することによ り行われる、請求の範囲第1項記載の変異体。 3. 除去が、酵素から、334番目の部位のシステイン全体を削除することによ り行われる、請求の範囲第1項記載の変異体。 4. 変異体中の96番目の部位のチロシン残基が、チロシン以外の別のアミノ酸 で置換されている、請求の範囲第1項〜第3項のいずれかに記載の変異体。 5. アミノ酸が、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、グル タミン酸、グルタミン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジ ン、メチオニン、プロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン及 びバリンからなる群より選ばれる、請求の範囲第1項、第2項又は第4項のいず れかに記載の変異体。 6. 87、98、10l、185、193、244、247、295、297、 395及び396番目の部位の1以上の部位におけるアミノ酸が、別のアミノ酸 残基で置換されている、請求の範囲第1項〜第5項のいずれかに記載の変異体。 7. 添付の図面及び/又は実施例に関連して前記に実質的に記載されているモノ オキシゲナーゼシトクロムP450cam変異体。
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