1．はじめに
へム(Figure 1A)は、鉄原子とポルフィリンの錯体であり、赤血球に含まれる血色素タンパク質へモグロビンなどのヘムタンパク質の補欠分子族として生物界に逼在している。さらに、最近の研究から、遺伝子の発現制御など、ヘムの多様な生理機能が次々に明らかになっており、生体内におけるヘムの役割に注目が集まっている[1, 2]。これまで、私共はヘムタンパク質の機能と構造の相関関係を研究し、ヘムの機能がタンパク質との相互作用を通して調節される分子機構を解明してきた[3-5]。一連のヘムタンパク質が示す多様な機能がヘムとタンパク質の相互作用によって生み出されることを考えると、タンパク質以外の生体高分子でもヘムを組込めば新しい機能が創出できるのではと思ったことが、本稿で紹介する私共の研究のきっかけであった。まず、生体高分子の中で、私共は核酸に着目した。RNAにはリボザイムとして知られる触媒作用を示す分子が存在することから[6]、RNAだけでなくDNAにもへムを組込むことができれば、核酸との相互作用を通してヘムの機能が調節できると考えたからである。ただし、DNAの立体構造として有名な二重らせん構造の核酸には、ヘムは結合しない。ヘムのアニオン性側鎖が、核酸主鎖のリン酸イオンと静電的に反発するからである。そこで、私共は、ヘムを組込む核酸として、グアニン四重鎖[7] (四重鎖と言っても、実際には四重鎖らせん構造)に着目した。ゲアニン四重鎖の分子内部で形成されるＧカルテッﾄ(Figure 1B)は、ヘムのポルフィリン環とのπ-πスタッキング相互作用に適していると考えたからである(後述)。ところで、グアニン四重鎖は、真核生物の染色体末端のテロメアと呼ばれる領域に存在することが知られている[8, 9]。テロメアは、細胞の老化やガン化などに関連していると考えられている[10]。ヒトのテロメアでは、チミン(T)、アデニン(A)およびグアニン(G)からなるAcc. Mater. Surf. Res. 2023 , Vol.8 No.2 , 58-69. of 1. Molecular Figure structures heme(Fe 3*) (A) and G-quartet formed through a cyclic and coplanar association of d(TTAGGG) (DNA鎖の5’末端から3’末端の方向にTTAGGGの順に６つの塩基がつながった塩基配列(Figures 2A & A')、“d”はDNA鎖を表し、RNA鎖の場合は“r”を付す)を基本単位とする塩基配列が何度も繰り返されている。テロメアのようにGが豊富な領域は、四重鎖を形成する傾向が強いことが示されており、バイオインフォマティクス(Bioinformatics)からは、ヒトゲノムには四重鎖が形成可能な領域は数十万ヶ所は存在することが示唆されている[11]。したがって、グアニン四重鎖も、生物界に逼在していると言える。私共は、いずれも生物界に逼在するヘムとゲアニン四重鎖の相互作用の研究は、生物科学だけでなく物質科学においても新たな分野の開拓につながる可能性があると期待している。現生生物への進化の前に、原始地球上で、RNAからなる自己複製系が存在していたとする“RNAワールド”仮説[12]が正しいとすると、ヘムの先祖と言える錯体がRNAのグアニン四重鎖(四重鎖RNA)に組込まれてRNAワールドを支える触媒分子として作用していた可能性があると私共は考えている。約 37 億年前の生命誕生の痕跡として知られるストロマトライトはシアノバクテリアの化石であると考えられていることから、当時からクロロフィル類似化合物が光合成に利用されていた可能性がある。ポルフィリンは、アセチレン、アンモニア、ホルムアルデヒドのような、宇宙に普遍的に存在し、原始地球上で存在していたと考えられている簡単な分子からも合成されることが実証されている[13]。したがって、無生物的に合成されたポルフィリンに、地表付近に豊富に存在する鉄原子が組込まれたヘムの先祖と言える錯体が当時から存在していた可能性がある。ヘムの先祖と言える錯体がRNAワールドの出現に一翼を担っていたかどうかを検証する研究は、生物科学の重要な研究課題である生命の起源を解明するための鍵となると考えられる。本稿では、ヘムとグアニン四重鎖の相互作用の研究が拓く物質科学として、ヘムと四重鎖DNAの複合体が示す触媒作用の研究を紹介する。
2.ヘムとグアニン四重鎮
へムを構成するポルフィリンは、側鎖としてメチル基４つに加えて、ビニル基とプロピオン酸基がそれぞれ2つ結合しているプロトポルフィリンIXである(Figure 1A)。側鎖として結合する置換基の種類と数で名称がプロトポルフィリンと決まり、ローマ数字IXは置換基の結合位置を表している。ポルフィリンは、18π 電子系の複素芳香族化合物であり、可視領域に強い吸収を示すなど、特徴的な分光学的性質をもつ。さらに、鉄原子が組込まれたヘムの電子的および磁気的性質は、鉄原子の酸化状態、スピン状態、配位状態に依存する。特に、鉄イオンが不対電子をもつ常磁性ヘムで¹H NMRスペクトルを測定すれば、観測されるシグナルの常磁性シフトの解析を通して、ヘムの電子構造が解明できると共に、へム近傍の構造化学的環境に関する情報を原子レベルで得ることができる[14]。四重鎖DNAは、文字通りDNA鎖4本により形成される。そして、四重鎖DNAの内部では、グアニン塩基(G) 4つが同一平面内で水素結合により環状に連結したGカルテットと呼ばれる特徴的な構造が形成されている[7] (Figure 1B)。Gカルテットの平面性と大きさはいずれも、ヘムのポルフィリン環とのπ-πスタッキング相互作用に適している。実際、三価の鉄イオンをもつヘム(ヘム(Fe³+))は、四重鎖DNAの3’未端Gカルテットに対して、親和性約 10 -6 M ¹で結合する(Figure 2C) [15, 16]。核酸に対するヘムの結合は、ポルフィリン環とGカルテットのπ-πスタッキング相互作用によってもたらされることを考慮すると、ヘムは四重鎖DNA [15, 16]および四重鎖RNA[17]に特異的に結合する錯体であると言え☆。四重鎖DNAの内部では、複数のGカルテット同士がπ-πスタッキング相互作用により積層している(Figure 2B)。そして、積層するＧカルテットのまわりの4本のDNA鎖がどのように配向するかによって、平行型、逆平行型[18]、(3+1)ハイプリッド型[19]などいくつかのフォールディングが可能である(Figure 3)。四重鎖DNAの安定性は、積層するGカルテットの枚数に依存する。例えば、4本のDNA鎖がすべて同一方向に配Acc. Mater. Surf. Res. 2023, Vol.8 No.2 , 58-69.列する平行型四重鎖 DNA の立体構造の安定性を反映する変性温度は、Figure 3Aに示す積層Gカルテットが2枚の四重鎖DNAでは室温以下であり、3枚の四重鎖DNAでは約55 °C、 4枚では約85 ℃、5枚ではさらに高温になる。したがって、生体内で通常存在する四重鎖DNAでは積層Gカルテットが3枚であるのは、その安定性が生体内での利用に適しているためと考えることができる。Gカルテットのπ-πスタッキングで、隣接するGカルテットの間にはカリウムイオンなど一価カチオンが存在し、近接する８つのグアニンのカルボニル酸素原子間の電子的反発を低減している。したがって、一価カチオンが存在しなければ、Gカルテットひいては四重鎖DNAは形成しない。私共が主に研究対象とするのは、平行型四重鎖DNAである。塩基配列d(TTAGGG)が4分子で生じる平行型四重鎖 DNA [d(TTAGGG)] 4 (Figure 2B) (以降、6merと略記)などの分子構造はらせん軸に関して四回回転対称であるので、 NMRによる解析に好都合である[15, 20-33]。上述の通り、ヘムがπ-πスタッキング相互作用によAcc. Mater. Surf. Res. 2023 , Vol.8 No.2 , 58-69.り結合するのは、平行型四重鎖DNAの3’末端Gカルテットであり、5’末端ではない。その理由は、次の通りに考えることができる。Gカルテットの構造で、塩基部分だけを考えると、表側と裏側の区別はできないが、デオキシリボース環の配向も含めて考えると、表側と裏側に違いがあることが分かる(Figure 4)。平行型四重鎖 DNAの場合、4つのリボース環の電子豊富な酸素原子(Figure 4A)はすべて5’末端側に向く(Figures 4B & C)ため、それらの静電ポテンシャル(Figure 4D)がヘム側鎖のプロピオン酸基の負電荷などと静竜的に反発する。この反発を避けるため、ヘムは反対側の3’末端側に結合すると考えられる。実際、3’末端側と5’末端側それぞれに当該酸素原子が２つ存在する逆平行型四重鎖DNA(Figure 3D)にはヘムは結合しない[32]。なお、ヘムの分子構造はポルフィリン環の５位と15位の炭茶原子を通る軸に関して擬2回回転対称であるので(Figure 1A)、へムはGカルテットに対して“表と裏”の２通りの配向で結合する[27, 33]。
3.ヘムと四重鎮DNAの複合体の触媒作用
D. Sen (Simon Fraser Univ. (カナダ))らは、 DNAのランダムな塩基配列のライプラリを利用してヘム(Fe³+)に特異的に結合するアプタマー (Aptamer)を選び出すことに成功すると共に、 DNAアプタマーとヘム(Fe³†)の複合体はヘムタンパク質類似の分光学的性質およびペルオキシダーゼ類似の酸化触媒作用を示すことを明らかにした[34-43]。D. Senらのこの発見により、ヘムタンパク質においてヘムの機能がタンパク質との相互作用を通して調節されるように、四重鎖DNAとの相互作用によってもヘムの機能を調節することができることが実証され、ヘムとDNAの複合体を触媒(へムDNA酵素)として応用する研究分野が開拓された。四重鎖DNAは安定性が高く、80 ℃以上の高温および有機溶媒との混合水溶液中でも利用可能[43]である上に、 DNA鑑定などで知られている通り、DNAの合成は簡便であることから、ヘムDNA酵素は実用化の観点からも画期的な触媒であると言える。まず、私共は、6merがヘム(Fe 3+ )の酸化触媒活性に与える影響を計測した(Figure 2C)。なお、酸化触媒活性の計測は、Amplex red (10-acetyl- 3,7-dihydroxyphenoxazine)を基質として用いて行った(Figure 2D) [44, 45]。Amplex redの酸化反応で生成する Resorufin(7-hydroxy- phenoxazin-3-one)は波長約570 nmに吸収を示すことを利用してResorufin濃度を決定した。そして、基質の酸化反応により生じるResorufinの濃度の経時変化(Figure 5)を一次関数でフィッティングして得られた初速度(Ro)を指標として、酸化触媒活性を評価した。ヘム(Fe³†)単独でもAmplex redの酸化反応は進むが、6merの添加によりR oは約６倍に増大することが示され(Figure 5)、6merへの結合によりへム(Fe 3* )の酸化触媒活性が増大することが確認できた[44]。
4.ヘムDNA酵素のヘムに軸配位子として結合
する水分子
ヘムタンパク質が示す多様な機能は、ヘムの電子構造およびヘム近傍の構造化学的環境により発現する。特に、ヘム鉄に結合する軸配位子の電子的性質は、ヘムの反応性に大きな影響を及ぼす。ヘムDNA酵素(Figure 6A)のヘム鉄には特異な物理化学的性質をもつ水分子(H₂O)が軸配位子として結合しており(Figure 6B)、この水分子がヘム(Fe 3+ )の酸化触媒活性を増大している[33]。したがって、ヘムの触媒活性の変化は、四重鎖DNAへの結合のみによって生じる訳ではなく、Ｇカルテットとヘムの間に存在し、へム鉄に結合する軸配位子により誘起されるのである[46]。へムDNA酵素のへム(Fe³+)は、軸配位子としてH₂Oが2分子結合した六配位高スピン状態(S=5/2)である(Figure 6C左)。軸配位子として結合する2つのH 2 Oで、ヘムとGカルテットの疎水性接触界面に孤立する方を軸配位子 H₂O ( axH 2 O)、ヘム平面を挟んで axH 2 O の反対側に存在する方を外部配位子H₂O ( exH₂O)と呼んで区別する。ヘムDNA酵素のAxH2Oは、ヘモグロビンやペルオキシダーゼなどにおける軸配位子ヒスチジン(軸配位子 His)に相当する役割を果たしている(後述)。 axH₂Oは疎水性空間に孤立することに加えて、酸素原子がヘム(Fe 3 +)に配位すると共に、水素原子２つは近接するＧカルテットのカルボニル酸素原子と水素結合を形成Acc. Mater. Surf. Res. 2023, Vol.8 No.2 , 58-69.していると考えられる。 axH₂Oはsp²混成軌道よりもsp³混成軌道によりへム鉄に配位することが、ヘム(Fe²+)モデル化合物における計算化学により示された[27]。つまり、ヘム(Fe²+)とaxH₂Oの配位結合は、Fe²+の3d2軌道へのH2Oのσ供与により形成する。さらに、 AxH2Oの分極は通常のSchematic illustration of a heme(Fe³*)-6mer complex (A) and heme coordination structure in a cyanide ion (CN-) adduct of the complex (B). In (B), axial H₂O (AxH2O) located in the hydrophobic interface G-quartet and heme is coordinated to heme(Fe 3*) and also forms hydrogen bonds with carbonyl oxygen atoms of the G-quartet. Only the porphyrin moiety of heme and four guanine bases of G-quartet are illustrated. Exchange reaction of external H 2 O (exH2O) of the H2O adduct with CN- to form the CN- adduct (C) and ionization of εxH₂O (D). In (D), L represents AxH2O. The equilibrium constant of the reaction is usually represented as “pK a” in analogy with the ionization equilibrium of an acid. The pK a can be used as a measure for assessment of electron density of the heme Fe atom (ρғе) because the value decreases with decreasing ρғ。as a result of a decrease in the H + affinity of ε × OH − . In addition, apart from the ionization states of heme propionic side chains, heme(Fe 3* ) with E×H2O and E×OH− are cationic and neutral, respectively, and hence the latter is thought to stabilized over the former in the be hydrophobic heme environment, resulting in a decrease in the pK a with decreasing polarity of the local heme environment.水分子H₂Oより約16 %大きいことが計算によって示され、水酸化物イオン(OH-)の電子状態に近いことが示された。また、H 2 Oの分極は、ヘム(Fe²+)への配位により約3 %、Gカルテットのグアニン塩基のカルボニル酸素原子との２つの水素結合の形成により約９％、それぞれ増大することが示され、これらがそれぞれ単独で作用するよりも同時に作用する方がH₂Oの分極の増大の程度が大きい、すなわち、 axH 2 Oの分極の増大は、ヘム(Fe²†)への配位と、カルボニル酸素原子への水素結合の相乗効果によることが示された。このような axH₂O の特異な電子状態は、ヘムのポルフィリン環とGカルテットの2つのπ平面に囲まれた疎水性環境により生み出されていると言える。 axH 2 O のダイナミクスも特徴的である。 AxH 2 Oは、ヘムおよびGカルテットの両方に関して、ヘム鉄との配位結合のまわりに回転している[27]。また、 axH 2 O の水素交換は、著しく遅く、タイムスケールは≪ 20 s-¹である[33]。このように、 AxH2O分子は、フラーレンC60、C70のケージに内包されたH₂O [47-49]などのように物理的に周囲から隔離されていないにも関わらず、水素交換が著しく遅いユニークな孤立H₂Oと見なすことAcc. Mater. Surf. Res. 2023 , Vol.8 No.2 , 58-69.ができ、さらなる物理化学的性質の解明が期待される。へムDNA酵素におけるaxH₂Oの検出は、'H NMR により行った[33]。鉄三価高スピン状態(S = 5/2)のへム(Fe 3+ )と6merの複合体にシアン化物イオン(CN-)を添加すると、 axH₂O が保持された状態で、exH2OがCN-に置換された鉄三価低スピン状態(S = 1/2)のCN-付加物が生じる(Figures 6B & C)。このように、ヘムDNA酵素では、 axH 2 Oに比べて、 a H 2 Oの置換は起こりやすい。例えば、ヘム(Fe³+)をもつヘムDNA酵素にイミダソール(Im)を添加すれば、ExH2OがImに置換された鉄三価低スピン状態(S = 1/2)の Im付加物が生成する[25]。また、一酸化炭素(CO)を吹き込んでヘムDNA酵素のヘム鉄(Fe³+)を亜ジチオン酸ナトリウム Na2S2O4で還元すると、鉄二価低スピン状態(S=0)のCO付加物が生成すふ[24, 26, 27]。へム(Fe³+)をもつへムDNA酵素にCN-が添加された場合、ExH 2 OとCN-の配位子交換反応(Figure 6C)のタイムスケールはNMRのタイムスケールよりも遅いため、¹H NMRスペクトルには高スピン(S = 5/2)と低スピン(S = 1/2)それぞれの状態に対応する2組のシグナルが混在して観測される[33] (Figure 7)。そして、CN-付加物の「H NMRスペクトルで、約88 ppmに常磁性シフトして観測されるシグナル(ほぼ等しい強度の2つのシグナルが重なっており、35 °C以上でそれらは分離して観測される)は、25 °Cでの線幅が約2000 Hzであることからヘム(Fe³†)の近傍に存在するプロトンに由来することが明らかであると共に(Figure 7A')、溶媒を重水D2Oに置換することによりシグナルは消失することから(Figure 7B')、 AxH2Oのプロトンに由来すると帰属された[33]。 CN-付加物の¹H NMRスペクトルには、ヘムDNA酵素におけるaxH₂Oとへムの電子的相互作用が反映された[33] (Figure 8)。CN-付加物のヘム側鎖メチルプロトン(CH3)シグナルには、 AxH₂Oの水素(H)が重水素(D)に置換(H/D置換)されて生じるH₂O､ HDOおよびD₂Oそれぞれの状態を反映する同位体シフトが観測された。この同位体シフトは、H/D置換がaxH 2 Oの電子的性質に与える影響がヘム鉄からヘムのポルフィリン環のπ電子系を介し、最終的には超共役によりCH3水素原子の1s軌道に非局在化する不対電子密度に影響を与えることを示している。また、axHDOに対応するCHシグナルが観測されたことから、 xH 2 O は単独で存在することも実証された。なお、観測された同位体シフトは約0.03 ppmと小さいことから、ヘムの電子構造に著しく敏感な常磁性シフトしたシグナルでなければ、 axH 2 Oとへムのこのようなユニークな電子的相互作用の検出は不可能であると言える。さらに、いずれのCH3シグナルでも、axH2O, AxHDO, AxD 2 Oそれぞれの状態に対応するシグナルのシフト値の大小関係は、axH 2 O < axHDO < axD2Oであることから、ヘム鉄への電子供与の程度はaxD2Oの場合が最も大きいことがわかる。
5.ヘムDNA酵素の酸化触媒サイクル
へムDNA酵素の酸化触媒サイクルの解明には、酸化反応活性種の特定が必要である。私共は、ヘムDNA酵素の触媒サイクルで、 Compound Iと呼ばれる高い反応性をもつ反応中間体である、オキソ鉄四価ポルフィリンπカチオンラジカル錯体が生成することを明らかにした[50]。ヘム(Fe³+)をもつヘムDNA酵素の電子スピン共鳴(ESR)スペクトルでは、典型的な六配位高スピン状態(S = 5/2)のヘム(Fe 3+ )を反映するシグナルがｇ値約２および約６に観測され、過酸化水素H₂O₂を添加するとg＝2.00にCompound Iに由来するシグナルが検出された。ヘムDNA酵素の酸化触媒サイクルでCompound Iが生成するという知見に基づいて、ヘムDNA酵素の触媒サイクルは本質的にペルオキシダーゼと同じであることが示された[50] (Figure 9)。まず、Resting state(A)のExH2OがH₂O₂に置換されCompound 0(B)が生じ、ヘム鉄に結合したH₂O₂の水蒸原子の引き抜き(BからC)および Fe³+から配位子への電子移動に伴うH₂O の放出(C から D)により Compound  I(D)が生成する。そして、Compound I(D)からResting state(A)が再生される過程で、Compound II (E)を経由して基質(R) 2分子が酸化される。この反応機構で、axH₂Oは弱いながらもヘム鉄に電子を供与することにより、ヘム鉄に結合した H₂O₂の O-O 結合のヘテロリシスを促進し、その結果として、Compound Iの生成が促進されると考えられる。西洋ワサビペルオキシダーゼ(HRP)では、ヒスチジン(His170)が軸配位子としてヘム鉄に結合し、ヘム平面を挟んでHis170の反対側のヘム鉄近傍には His42 およびアルギニン(Arg)38が存在する[51] (Figure 10)。HRPにおける軸配位子His170は、アスパラギン酸(Asp)247の側鎖との水素結合を通した部分的な脱プロトン化によってイミダソレートに近い状態にあるため、へム鉄への電子供与性が強く、Compound I生成の促進に役立っている。また、His42およびArg38 は、一般酸塩基触媒作用によりヘム鉄に結合したH₂O₂のO−O結合のヘテロリシスを促進する[52]。したがって、上述した通り、ヘムDNA酵素におけるaxH2Oは、Compound I生成において、HRPのHis170同様の電子的役割を果たしていると考えられる。そして、ヘムDNA酵素のヘム近傍にアデニンの塩基が存在すれば、その一般塩基触媒作用により、触媒活性は増大する(後述)。
6.ヘムDNA酵素の酸化触媒活性に影響を与
える因子
私共は、ヘムDNA酵素の酸化触媒活性に影響を与える因子として、ヘム鉄の電子密度(ρғε)とへム近傍の構造化学的環境に着目し、それぞれが触媒活性に与える影響を解析すると共に、両者の触媒活性に対する影響における相乗効果の有無を解析した[45]。まず、ρғ。は、ヘム(Proto)に加えて化学修飾ヘム3,8-DMDおよび2,8-DPFを利用して変化させた(Figures 11A, A' & A”)(以降、本節ではProto、3,8-DMDおよび2,8-DPFをひとまとめにしてヘムと呼ぶ)。これらのヘムの分子構造の違いは、ポルフィリン環に結合する２つの側鎖のみであり、Protoはビニル基、3,8-DMDはメチル基、2,8-DPFはトリフルオロメチル基(CF 3 )をもつ。したがって、電子供与基のメチル基をもつ3,8-DMDのρғ。は、他の2種のヘムより大きいと考えられる。 Protoのρғ。は、ポルフィリン環のπ竜子系に対するビニル基の配向に依存するが、ヘムDNA酵素においてGカルテットにπ-πスタッキングするProtoでは、ポルフィリン環とビニル基の2つのπ電子系は同一平面になるので、3,8-DMDよりも小さいと考えられる。さらに、電子求引性が強い CF3をもつ2,8-DPFのρғєはProtoよりも小さいと考えられる。したがって、ρғ。の大小関係は2,8-DPF < Proto < 3,8-DMDであると予想される[3, 4]。私共は、ヘム DNA 酵素のヘム鉄(Fe³+)に結合する exH₂Oの電離反応の平衡定数(pK a )を指標としてρ feを評価した[45] (Figure 6D)。ヘム(Fe 3+ )と6merの複合体の場合、2,8-DPF(Fe 3+ )、Proto(Fe 3+ )、3,8- DMD(Fe³†)それぞれのpK aは、9.20±0.02、8.91 ± 0.04、8.30 ± 0.05と決定され、ρғ。の大小関係が予想通りであることが確認できた。へムDNA酵素におけるへム近傍の構造化学的環境の評価にも、pK。を指標として使うことができる[43] 。 6mer の場合と同様に、 [d(TTAGGGT)]4   (6mer/T)  、 [d(TTAGGGA)]4 (6mer/A)いずれに対しても、ヘムは3’末端Gカルテットの3’末端側に特異的にスタッキングして複合体を形成する。つまり、ヘムは、6mer/TではG6とT7の塩基の間、6mer/AではG6とA7の塩基の間に結合する(Figures 11B, C & D)。 3,8-DMD(Fe 3+ )と6mer、6mer/T、6mer/Aそれぞれの複合体のpK aは、それぞれ9.20 ± 0.02、 9.39 ± 0.01、9.93 ± 0.02であり、6mer/Tの複合体のpK aか6merの複合体よりも小さい理由としFigure 11. Molecular structures of heme(Fe 3*) (Proto) (A), 3,8-dimethyldeutero-porphyrinato- iron(III) (3,8-DMD(Fe 3*)) (A'), and 13,17-bis(2- carboxylatoethyl)-3,7,12,18-tetramethyl-2,8- bis(trifluoromethyl)-porphyrinatoiron(III)   (2,8- DPF(Fe 3* )) (A " ), and schematic representa- tion of complexes between heme and parallel G-quadruplex  DNAs  [d(TTAGGG)] 4  (6mer), [d(TTAGGGT)] 4 (6mer/T), and [d(TTAGGG A)]4 (6mer/A), i.e., heme-6mer (B), heme- 6mer/T (C), and heme-6mer/A complexes (D), respectively. Acc. Mater. Surf. Res. 2023 , Vol.8 No.2 , 58-69.る。そして、6mer/Aの複合体のpK aがさらに小さい理由は、へムがG6 GカルテットとA7塩基の間の疎水性空間に存在することに加えて、 ExH 2 O が A7 塩基と水素結合を形成することが考えられる。私共は、Figure 11に示すへムと四重鎖DNAそれぞれ３種の組合せで調製できる複合体9種について、pK。と酸化触媒活性の関係を解析した[45] (Figure 12)。まず、複合体を形成する四重鎖DNAが同じであれば、触媒活性の大小関係は2,8-DPF < Proto < 3,8-DMDであること、つまりρε。の大小関係と同一であることが示された。ペルオキシダーゼでは軸配位子からヘム鉄への電子供与が Compound I 生成の促進に寄与していることを考慮すると、複合体ではρεが大きい程触媒活性が大きいという結果は予想通りであると言える。また、いずれのヘムでも、触媒活性の大小関係は6mer/Tの複合体 < 6merの複合体 <6mer/Aの複合体であった。6mer/Tの複合体の触媒活性が6merの複合体よりも小さい理由としては、T7塩基の立体障害によりヘムへの基質の接近が妨げられることが考えられる。また、6mer/Aの複合体の触媒活性が大きいのは、A7塩基が一般塩基触媒として作用し、 Compound Iの生成を促進するからであると考えることができる。最後に、同一四重鎖DNAでヘムが異なる複合体3種についてのpK sに対する酸化反応の初速度のプロットは右上がりの直性に載り、その直線の傾きは四重鎖DNAには依存しないことが明らかになった。この結果は、ρεの変化を通した電子的影響とヘム近傍の構造化学的環境は、それぞれ独立して複合体の酸化触媒活性の調節に作用することを示している。したがって、ヘムDNA酵素では、ペルオキシダーゼにおいて“Push-Pull”機構[53, 54]として知られる軸配位子からへム鉄への“Push”機構とへム近傍の一般酸塩基触媒作用による“Pull”機構の相乗効果によるCompound I生成の促進は観測されなかった。
7.結晶
本稿では、ヘムと四重鎖DNAの複合体の立体構造と酸化触媒作用の分子機構について紹介した。現生生物に存在するペルオキシダーゼの酸化触媒サイクルと本質的に同一の反応機構がヘムと四重鎖DNAの複合体で実現されていることが明らかとなったことから、ヘムDNA酵素も、ヘムタンパク質のような高い触媒活性を示す可能性が示された。今後、ヘムDNA酵素におけるヘム近傍の構造化学的環境のさらなる多様化が実現できれば、ヘムDNA酵素は思いもかけない触媒活性や機能を示すことが期待できると共に、原始地球上で無生物的に合成されたへムのような錯体が生命誕生の一翼を担っていた可能性を検証することもできると考えられる。また、ヘムは遺伝情報の伝達においても重要な役割を担っていることが明らかになりつつあることから、私共の研究により解明されたヘムと核酸の特異的な結合は、遺伝子の発現制御におけるヘムの役割のさらなる理解にも有用であると考えられる。さらに、Gカルテットには、ヘムだけでなく、環状テトラピロール類の分子骨格をもつポルフィリンやフタロシアニンなども特異的に結合することが明らかになっていることから、がんの治療法として期待されている光線力学療法(PDT)の光増感剤として有用な四重鎖DNAをAcc. Mater. Surf. Res. 2023 , Vol.8 No.2 , 58-69.標的とする環状テトラピロール類の分子設計にも本研究が役立つこと示されている[55, 56]。ヘムとグアニン四重鎖の相互作用の研究が拓く生物科学と物質科学の今後の発展に期待したい。
8.制辞
本稿で紹介した研究成果は、筑波大学生物無機化学研究室のスタッフと学生、根矢三郎千葉大学名誉教授、鈴木秋弘長岡工業高等専門学校教授、筑波大学の小島隆彦教授および小谷正弘博士をはじめとする多くの共同研究者の方々の長年にわたる日々の努力の賜物であります。ここに心よりの謝意を表したいと思います。また、長年にわたって研究をサポートいただいた文部科学省および日本学術振興会に感謝いたします。