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ラジカル研究はドグマとの闘い3 RNR内のチロシルラジカル(改訂版)

2012-11-19 15:28:11 | ラジカル

リボヌクレオチドレダクターゼ(RNR)内のチロシルラジカル生成消滅過程(改訂版)

 

ラジカル研究はドグマ(独断、教条)との闘いの歴史である。tyrosine というありきたりのアミノ酸がまさか室温でもラジカルになっているとは想像もつかなかった。しかし、

(a) 蛋白B2精製段階で410 nm のピークの強度はますます増強された(下記Fig.5参照):

(b) 410 and 360 nm のピークは鉄元素除去と共に消失し、鉄原子の再活性化と共に、再現された:

(c)  410 nm のピークは蛋白B2を特異的に壊すヒドロキシウレアやヒドロキシアミンで消去した。

生成したラジカルが鉄の二核錯体と相互作用してクラスターを形成し、安定化しているらしい。

それまでの研究の経緯はBrownによる下記論文のDiscussionに詳しく語られており、ラジカル研究のドグマとの闘いの典型例であるので、ここにあえて原文のまま抜書きする:

European J. Biochem. 9 (1969) 512-618
Spectrum and Iron Content of Protein B2 from Ribonucleoside Diphosphate Reductase
N. C. BROWN, R . ELUSSON, P . REICHARD, and L. BELANDER
Kemiska Institutionen 11, Karolinska Institutet, Stockholm
(Received April 1, 1969)

 

Tyrosylbrown

 

DISCUSSION
   Our results clearly indicate that protein B2 contains iron and that the presence of this metal is essential for the function of the protein as a component of ribonucleoside diphosphate reductase. One molecule of pure protein B2 contains two atoms of iron, which can be released by cold acid treatment; this finding indicates that the metal is bound in an inorganic or non-heme form. Unpublished experiments indicate that each molecule of protein B2 consists of two polypeptide chains of equal size; it seems reasonable to assume that each iron atom is bound to one polypeptide chain. It is not known how the iron is linked to protein B2. Several well characterized non-heme iron proteins such as the ferredoxins contain “inorganic sulphide” which participates in the iron-protein interaction. Protein B2 does not contain any such sulphide. The metal is bound quite tightly and is not removed during the extensive purification procedure. On the other hand, more drastic treatments result in partial removal. For example, preparative gel electrophoresis of the protein under the conditions given by Ornstein and Davis which involve pH values of above 9.5 resulted in considerable loss of iron. Similarly, treatment with ammonium sulphate at acid pH values removed part of the metal. Aside from treatment at extreme pH values, prolonged dialysis against chelating agents, such as 8-hydroxyquinoline, removed the metal. Removal of iron resulted in loss of enzyme activity.It is probably significant that a relatively minor loss of iron was parallelled by a disproportionally large loss of enzyme activity. This finding might be interpreted by assuming that the loss of one of the two iron atoms is sufficient for enzyme inactivation. However, other, more complicated explanations cannot be excluded. Extensive treatment with 8-hydroxyquinoline and other chelating agents such as EDTA often resulted in an apparently irreversible precipitation of the protein. As a result we have not succeeded in obtaining protein B2 completely devoid of iron. Our best preparations of “apoprotein” never contained less than 15 to 20% of the original iron content. The “apoprotein” preparations could be reactivated completely with iron, but not with any other metals tested. The latter experiments were not extensive, however. Both Fe2+ and Fe3+ could be used for reactivation and at the present time we know nothing about the state of valency of iron in the protein, Protein B2 could be labelled specifically by reactivating a metal-deficient “apoprotein” with radioactive iron. The radioactive protein has been used to study the interaction with protein B1, the second subunit of ribonucleoside diphosphate reductase. In these studies and in other reactivation experiments, the non-specific attachment of iron to the “apoprotein“ caused special problems. Since this type of binding is more pronounced with trivalent iron it could be minimized by adding iron to the apoprotein in the presence of an excess of sodium ascorbate. (We wish to thank Dr. R. Malkin, Dept. of Biochemistry, University of Gothenburg, for suggesting this procedure.) This precaution ensured the reduction of all Fe3+ to Fe2+. When 69Fe-labelled protein B2 was made on the preparative scale for use in binding experiments, we purified the product further to exclude all non-specifically bound iron. For this purpose it was convenient to introduce 59Fe into a fairly impure preparation of protein B2 and to remove extraneous iron by further purification of the labelled protein, either by DEAE-cellulose chromatography or by preparative gel electrophoresis. Fig.5 demonstrates the use of the former method in a typical experiment. The iron content of protein B2 is closely connected with the highly characteristic spectrum of this subunit shown in Fig. 5. We are not aware of any other protein with a similar very sharp peak at 410nm. When we first observed. this peak in preparations of protein B2 we suspected that it arose from contamination by a hemoprotein with a characteristic Soretband. However, we excluded this possibility and established that the spectrum is a characteristic property of protein B2 from the following observations:

 

(a) during purification of protein B2 the characteristic spectrum intensified ;

 

(b) the peaks at both 410 and 360 nm disappeared on removal of iron and reappeared on reactivation with the metal, and

 

(c) the peak at 410 nm disappeared on treatment with hydroxyurea or hydroxylamine which specifically destroy the activity of protein B2.

 

The details of the spectrum of the final preparation of protein B2, in particular the intensity and sharpness of the peak at 410 nm, depended to some extent on the method of purification. A good measure of the sharpness of the 410 peak is the 410/405 ratio; in some preparations this was as high as 1.18. Both the 410/405 ratio and the intensity of the spectrum above 310 nm were higher when Sephadex G-200 was used as the last purification step rather than gel electrophoresis. This is clear from the experiment shown in Fig.5 in which an identical preparation of protein B2 after the second DEAE step was divided and purified further by the two alternative final purification steps. The reason for this behaviour is not understood. From our results it seems clear that the spectrum of protein B2 depends on the presence of iron. However, only the 360 nm peak gives a direct correlation with the amount of iron present in the protein. The peak at 410 nm disappeared almost completely even when less than half of the metal had been removed. Furthermore, inactivation of the enzyme with hydroxyurea or hydroxylamine resulted in a complete loss of the peak at 410 nm (but not at 360 nm) but did not remove any iron from the protein. These results suggest that the peak at 410 nm comes from an unidentified structural component in protein B2, the integrity of which requires the presence of both atoms of iron.

 

In collaboration with Prof. A. Ehrenberg we have recently found that protein B2 has a characteristic electron-paramagnetic resonance signal with a g-value of 2.0, apparently caused by the presence of a free radical in the isolated enzyme. The signal disappears on treatment with hydroxylamine and shows other features in common with the peak at 410 nm. The question as to the origin of this peak and the electron paramagnetic resonance signal may be connected with the question of iron-bonding in protein B2. It remains a challenging unsolved problem. It is also closely connected with the mechanism of the inactivation of the enzyme by hydroxyurea and hydroxylamine. Earlier experiments [7] had already established that protein B2 of ribonucleotide reductase was the target for the inhibitory effect of these compounds. The function of iron in the enzyme remains at the present time a matter of speculation. The metal does not appear to be required for the intact quaternary structure of the enzyme. On sucrose gradient contrifugation, the “apoprotein” sedimented with a sedimentation coefficient of 5.5 S, similar to the intact protein B2. Besides, the “apoprotein” retained the capacity to form a B1 :B2 complex in the presence of an excess of protein B1. It appears more likely that iron participates in the reduction of the HCOH group of the ribose. Together with the unidentified group of protein B2 the metal may fulfil a function similar to that of cobamide coenzyme in the related ribonucleoside triphosphatereductase from L. leichmnnii [l0-12]. The clarification of the function of the iron requires the identification of the postulated additional prosthetic group.

 

以上のような経緯で、今から40年も前の1972年、リボフラビンESRの大家、Ehrenberg の登場となった。図3に示すような、典型的ラジカルのESRデータをJBCにEhrenberg が初めて発表したのである: 

 

http://www.jbc.org/content/247/11/3485.full.pdf

 

 

Tyrosylehrenberg
図3 RNR内のtyrosyl radicalのESR(A.Ehrenbsrg)。g=2.0047,a(4-)=19 G, a(2,6-)=7 G.

 

しかし、問題はこれで終わりではなかった!むしろ始まりであった!

 

リボヌクレオチドレダクターゼ(RNR)は全ての生物に必須で、DNAの合成および修復において中心的役割を果たす酵素である。Ehrenbergはその酵素の機能にラジカルの生成消滅機構を提唱した。レスベラトロールはこの酵素の機能を阻害する。これは酵素の活性中心にあるチロシルラジカルをレスベラトロールが消去してしまうことによる。即ち、レスベラトロールの抗酸化作用の本体である4’位の水酸基がリボヌクレオチドレダクターゼのチロシルラジカルを還元反応によって消去してしまう為、酵素阻害が起きてDNA複製が阻害され、遺伝毒性を引き起こすのである。

 

Ja201101640n_0007tyrosilrnr

 

図1 RNR酵素内のチロシルラジカル生成消滅機構(J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (24), pp 9430?9440)。

 

 

Ja2012071682_0008endortyrosyl

 

図2 RNR酵素のチロシルラジカルのENDORスペクトル(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (42), pp 17661?17670。

 

要するに、本酵素はβ2(B2) が安定なチロシルラジカル(Y122?)-FeIII2クラスターを有しており、このY122?が35Å以上離れたα2 の活性部位中のシステイン残基(C439-α2)を可逆的に酸化し、生じたチイルラジカルを触媒的に用いてリボヌクレオチド還元反応を触媒する。このような長距離のラジカル移動は金属補因子を経由しないものとしては極めて稀で、芳香族性アミノ酸残基を用いるプロトン共役電子移動 (proton-coupled electrontransfer, PCET) が提唱されている(図2)。このPCET はα2 に基質が結合することで引き起こされるタンパク質のコンフォメーション変化で制御されていると考えられているが、その機構については未解明である。Y122?の還元は一連の反応の第一段階であり、酵素がY122-β2とFeIII2 クラスター間のプロトン移動を通じて、全体の反応を制御している可能性が考えられる。

 

ここに来てESR、ENDOR、高周波およびマルチESR、およびパルスESRが俄かに活況を呈してきた感がある。因みにGoogleで[tyrosyl radical]を画像で検索してみて下さい。ESRのオンパレードである!

 

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サーチュイン遺伝子とレスベラトロール

2012-11-12 09:37:44 | 健康・病気

2011年8月6日、NHKサイエンスzeroでサーチュイン遺伝子に関する放映があった。サーチュイン遺伝子は、長寿遺伝子または長生き遺伝子、抗老化遺伝子とも呼ばれ、その活性化により生物の寿命が延びるとされる。サーチュイン遺伝子の活性化により合成されるタンパク質、サーチュイン(英語:Sirtuin)はヒストン脱アセチル化酵素であるため、ヒストンとDNAの結合に作用し、遺伝的な調節を行うことで寿命を延ばすと考えられている。この様なサーチュインの作用メカニズムはマサチューセッツ工科大学のレオナルド・ガレンテのグループが1999年に見出した。酵母のSir2遺伝子がヒストン脱アセチル化酵素であることを見出し、この酵素の作用が代謝や遺伝子サイレンシング、加齢に関与していることを示唆した。

 

サーチュイン遺伝子は動物の長い飢餓の歴史の中で、飢餓対策として生まれたものである。その働きは遺伝子の長寿に関わる箇所を選び出して元気づける。第二次世界大戦を生き延びた世代の、100歳以上の元気な老人の調査では、いずれも若い頃から小食でサーチュイン遺伝子の働きが活発だった。これは人類渇望の夢の遺伝子である。更に注目すべきは遺伝子損傷の修復能力である。

 

40代~60代の被験者4人での実証実験では30パーセント減らした食事を3~7週間続けただけで、長寿を担っているサーチュイン遺伝子が目覚めて働き始めるそうである。飽食の現代人のサーチュイン遺伝子は殆ど休眠中で、その結果、老化が進行する。しかし、飢餓状態になると目覚め、細胞中のミトコンドリアを活性化させてエネルギー効率を高める。更に、活性酸素の害を防ぎ、免疫力低下、動脈硬化、高血糖、骨粗鬆症、脱毛白髪等の老化症状を防ぎ改善して、美肌と持久力と抗がん作用を高めるそうである。

 

「腹八分は健康長寿のもと」はどうも本当だったようだ。米国の大学で20年ほど飼われている猿集団の比較実験がある。人間での70歳相当の猿二頭での比較では、飽食の猿は毛が抜けシワがより見るからに老いていた。対して食事30%減の猿は毛ツヤは良く、肌も張りがあって元気で若々しかった。更に、脳の断層写真でも萎縮はなく、記憶力も良く、持久力も優れていた。実験では40%減食が一番サーチュイン遺伝子の増加が見られたが、それでは挫折する可能性が高く現実的ではない。臨床実験では、一般では25%減が良いとされていた。

 

レスベラトロールは1939年に北大の高岡道夫氏が有毒なバイケイソウから発見した。動物実験では、長寿、抗炎症、抗癌、血糖降下、放射線障害抑止などの効果が確認されている。殊に、放射性物質に汚染された日本では放射線障害抑止作用は注目されそうである。

 

Resveratrol

 

 

Reveratrolhomoalfa
図2 MOPACで計算したresveratrol radicalのHOMO(図のクリックで拡大)。

 

レスベラトロールを毎日服用すれば、食事制限なしでサーチュイン遺伝子を活性化できる。レスベラトロールと同様の薬品が次々と開発されれば平均寿命100歳の実現は近い。元気な老人が増えれば医療福祉費が削減され、少子高齢化社会の朗報になる。

 

現在、レスベラトロールと同じようにサーチュイン遺伝子を活性化する薬品が合成され臨床実験に入っている。その一つがSRT3025で、レスベラトロールの1000倍の活性化力が確認されている。同様の薬品は世界中の製薬メーカーが開発競争中で、近いうちに国内でも信頼性の高い薬が発売されそうだ。もし実現したら、糖尿病等を始め、老化により引き起こされる殆どの病気が治る可能性がある。しかし、一化学者として不思議に思う。単純なポリフェノールがなぜこのような夢の多機能を発揮するのか??図2の分子軌道から何も読めない!!
食事制限で寿命が延びること自体は否定されていない。スイス連邦工科大学研究者のネイチャーへの発表では、サーチュイン遺伝子の寿命延長効果に疑問を呈する一方で、健康上の利点を述べている。マウスなどの哺乳類を、加齢関連の疾病による代謝ダメージから守る効果は間違いなくある。加齢による衰えを遅らせ、先天性・後天性の病気の治療として有望であることに変わりない。言い換えると、サーチュイン遺伝子が直接に寿命を延ばす効果はないとしても、食べ過ぎによって身体が受けるストレスを緩和する効果があることは間違いない。要約すれば、レストラベールには疑問符がつくかもしれないが、「腹八分目が健康の元」はどの研究でも評価されている。

 

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ちょっといっぷく38 ヌートリアとカワウ

2012-11-07 10:25:01 | まち歩き

昨年の今頃、何時もの緋鯉を眺めに御園橋のたもとを散歩していた。大きな真鯉とおぼしき波紋が上流に向かって泳いでいるではないか?!近づくとどうも鯉の波紋とは違う。暫く眺めていると、岸に近づいて頭をもたげた。なんと大きなネズミである。ヌートリアという南米産のネズミで、小型のウサギほどの大きさがある。一瞬、どうしたものかと迷った。典型的な外来生物であるから市に届けるべきか否か?!事態は急変した。土手から高校生が走ってきて、バシバシと写真を撮りだしたのである。これはもう情報が流れているな!

 

鴨川のヌートリアは今年の夏ごろからマスコミにも採り上げられ、一躍有名になった。何となく人懐こくて可愛いのである。現在、200頭近く生息していると推定されている。

 

Photo
図1 餌を与えられたヌートリア(クリックで拡大)。今のところ、白鷺、ハト、ユリカモメ等と共存共栄であるが、将来どうなるか?

 

 

京都府は今年8月3日、京都市の中心部を流れる一級河川・鴨川に生息する特定外来生物「ヌートリア」に関する動画を公開した。「ヌートリアに餌を与えないでください。」というタイトルで、ヌートリアの危険性についてまとめている。

 

げっ歯目ヌートリア科のヌートリアは、南アメリカ原産の動物である。主に、西日本の池や河川に生息している。見た目はビーバーやカピバラに似ているが、「特定外来生物による生態系等に係る被害の防止に関する法律(外来生物法)」で特定外来生物に指定されており、輸入やペットとしての飼育が禁止されている。鴨川に生息するヌートリアは天敵がいない上、年に2、3回出産するため繁殖が盛んで、生態系や農作物への被害が問題になっている。また人間による“エサやり”も繁殖の一因で、エサを与える際にかまれた事例もある。京都府ではヌートリアが近年増加しており、2008年~2010年には930頭が捕獲されている。

 

鴨川には外来生物が集まり易い。ユリカモメは1985年ごろから生息を始めた。数年前からカワウが生息をはじめて、賀茂川・桂川流域で数百羽になるとか?!カワウが小魚を追う姿が見つかると、必ず白鷺が集まる。よそ者を追い払うので集まるのかと思って、暫く様子を見ているとどうも違う。カワウが追いかけた小魚を白鷺が横取りする姿を何度となく見た!所謂、漁夫の利である。まさに共存共栄である。しかし、黒いカワウが羽を広げて水気を払う姿はどうも頂けない。

 

考えてみれば、京都は「外来生物」の溜り場である。元々、鴨一族は葛城山系から移り住んだと言われている。桓武天皇は奈良より移り住んだ。足利尊氏は栃木県足利市出身である。・・・従って、京都はスクラップアンドビルトの世界なのである。蓄積された文化が人を呼び、新しい文化を生む。これが京都の包容力のあるバイタリテイである。

 


ちょっといっぷく37 ユリカモメと千枚漬とスグキ

2012-11-03 10:20:13 | まち歩き

11月に入って木枯らし一号が吹き荒れた。堀川通りの並木道も枯葉で埋められ、いよいよ冬の到来を告げている。この季節になるとユリカモメが何時来るか楽しみで、一日千秋の思いでユリカモメ保護基金のHPを検索している。

(追記)2012‐11‐6日、ユリカモメ保護基金のHP上に「ユリカモメが30羽、鴨川を北上するのを見た」とのメールがあった。いよいよ冬の到来である!

また、上賀茂では冬の風物詩、千枚漬とスグキ漬が始まる。上賀茂神社の境内にある漬物店では恒例の「天秤漬け」のデモが始まった。梃子の原理で重石の位置と重さで漬物に掛かる重量を調節するらしい。

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図1 上賀茂神社の境内(正確には門前)にある漬物店での恒例の「天秤漬け」風景。何とも微笑ましい風景である。

「スグキ菜」は380年ほど前(慶長年間1810年)に、上賀茂神社の神職者が賀茂の河原に自生していたカブラのような植物を自分の庭で栽培したとされる説と、宮中に献上された野菜を上賀茂神社の神職者が貰い受けて栽培したのがはじまりという説がある。いずれも、「スグキ菜」は上賀茂神社の社家の邸内でつくられたのが最初で、別名「賀茂菜」「屋敷菜」「里菜」とも言われ、社家の贈答品として使われた。江戸末期頃、近郊の農家でも栽培される様になったが、一本たりとも他所に持ち出すことは禁じられた。「スグキ」の発酵は当時、炭や練炭の火力だったが、昭和35年に岡田六郎兵衛が開発した電気室(むろ)によって温度むらをなくすことで、よりよい商品が出来る様になった。

1993年、京都パスツール研究所(後のルイ・パスツール医学研究センター)でガンやウィルス感染の予防に有効なインターフェロンをつくる能力を高めるラブレ菌がスグキから発見された。

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図2 特異な免疫賦活能を持ったラクトバシラスの一株(ラブレ乳酸菌)の顕微鏡写真。

乳酸菌がお腹の調子を整えたり、生活習慣病の予防などに有効という話はよく耳にするが、インターフェロンの研究で日本の先駆者といわれる(財)ルイ・パスツール医学研究センターの岸田綱太郎博士は、乳酸菌の中でも、特に免疫賦活効果を持つきわめて稀なラブレ乳酸菌の存在を、京都の伝統的醗酵漬物「スグキ」の中から発見し、分離に成功した。「ラブレ乳酸菌」はその免疫効果が実証された数少ない乳酸菌である。そして数々の研究の結果、「ラブレ乳酸菌」を摂取し続けると、人の健康維持に大切なインターフェロンの産生能が向上することが分かった。

「西利」漬物店が販売権を獲得している。ラブレ乳酸菌は腸の中まで到達する。 ラブレ乳酸菌の働きは腸内腐敗菌が産生する酵素(β-グルクロニダーゼ)の活性を低下させることが実証された。つまり、ラブレ乳酸菌で漬け込んだラブレ乳酸菌を使用「健康漬物ラブレ」を食生活の中に取り入れると、腸内有害細菌の増殖が抑制され、健康上好ましい効果をもたらすと宣伝されている。   
お勧めの食べ方は軽く水洗いし、カブの部分をお刺身の様に少し厚めに切り、菜っ葉はなるべく細かく切って、少し醤油をたらして食べるのが一番である。また、お酒やワインなどの肴にも、寿司ネタにもよくあう。細かく刻んだすぐきでお茶漬やまぜ御飯、焼き飯の具としてもよい。スグキ特有の酸っぱさが格別で、決して腐っているとか古くなって食べられない漬物ではないので安心して食べてください。

今年もおいしい千枚漬の季節が遣ってきた!寒い北風が吹く冬でないと市場に出回らない。図3に軽く水洗いしたスグキを示す。スグキの味を知った人が見ればお腹が鳴るでは?!。

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図3 水洗いしたスグキ。