JP2000508163A - Monooxygenase cytochrome P450cam mutant - Google Patents
Monooxygenase cytochrome P450cam mutantInfo
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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。 (57) [Summary] A monooxygenase cytochrome P450cam mutant in which the cysteine residue at position 334 has been removed.
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。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Monooxygenase cytochrome P450cam mutant The present invention relates to monooxygenase cytochrome P450cam variants. Monooxygenases have activated or non-activated carbon-hydrogen bonds Catalyzes selective oxidation with oxygen1And therefore potential uses in organic synthesis There is a great interest in the business. However, progress in this area has Isolates sufficient amounts of monooxygenase enzymes and / or related electron transfer proteins Has been hampered by the difficulty of doing so. More than 150 different cytochrome P45 Despite the availability of the amino acid sequence of monooxygenase 0, There are only three types of structure data available2,3,4In bacterial systems Few have been successfully overexpressedFive. Certain cytochrome P450 monomers capable of expressing a soluble and sufficient amount Xygenase is a highly specific P-450cam from P. putida. This enzyme is used for the localization of camphor to 5-exo-hydroxy camphor. Catalyze selective and stereoselective hydroxylation6. High resolution of P-450cam The crystal structure ofTwoThe mechanism of action of this bacterial enzyme is the production of its counterpart in mammals. P-450cam is believed to be very similar to It is used as a basic framework for structural models of enzymes. The nucleotide sequence of P-450cam and the corresponding amino acid sequence are described in the literature Has been5,7. The location of the active site of this enzyme is known, and the relationship between structure and function is known. Entities are being studied8,9. Mutants of P-450cam are 101, 185, At the 247th and 295th sites9,10,11, And at the 87th site Things12Is described in the literature. Tyrosine at position 96 (Y96) is 9 A mutant that changed to phenylalanine at the sixth position (Y96F mutant) is described in the literature. Has been described11,13,14,15. However, in all cases, the dissertation Oxidation reaction of a molecule previously indicated as a substrate for a wild-type enzyme It reports on its effects. How to use different variants of different substrates There is no teaching on whether to provide a biocatalyst for oxidation. In an attempt to develop a new biocatalyst, the present inventors re-used P-450cam. Designed (redesigned) to be a substrate for wild-type proteins The purpose is to enable the efficient oxidation of organic molecules Planning started. As shown in FIG. 1, the three-dimensional structure of P-450cam shows that the active site is Close contact with the hydrophobic group of Uno by van der Waals force (close van de r Waals contact). Camphor and 244th part Contact with the side chains of leucine at position 2, valine at position 247 and valine at position 295 Is important. The three aromatic residues (Y96, F87 and F98) are grouped together Grouped and arranged in a substrate binding pocket, 9 There is a hydrogen bond between the sixth tyrosine and the carbonyl carbon of camphor. This It maintains the substrate in the correct orientation and ensures regio- and stereospecificity of the reaction. Lipscomb, etc.16Showed that wild-type P-450cam dimerizes in 1978. Of the monomer and dimer for camphor oxidation. It also reports that the vehicle activity could not be identified. Dimerization reaction is thio The dimerization reaction can be reversed by an intermolecular cysteine It was concluded that this was caused by disulfide (SS) bond formation. They dimerize Is associated with one or more cysteines per P-450cam molecule I couldn't. In addition, the key cysteine residue involved in this reaction was It could not be identified. This is because the amino acid sequence of P-450cam and And the crystal structure was unknown at this point. We have used molecular modeling to identify active Three aromatic residues in the active site pocket (Y96, F87, F98) were studied. The present inventors, Substituting any of these aromatic residues with a small hydrophobic non-aromatic side chain results in more "Aromatic pocket" that can be used to bind hydrophobic substrates (Aromatic pocket) ". program GRID17Using an aromatic probe and the aforementioned residue changed to alanine Possible variants of Rom P-450cam (F87A, Y96A and F98A ) Was calculated. Then the results are Cage Quanta18Was examined graphically. Mutant F98A is located within the active site cavity accessible to the aromatic probe. Has a strong binding interaction, slightly smaller for Y96A and substantially smaller for F87A. Was found to be less. In the first example, the 96th It was decided to mutate the tyrosine at the site to alanine. Because the binding poke Because it is more central to the On the other hand, the 98th site Of phenylalanine is present in the groove for a surface. Also, the 96th site Removal of tyrosine will reduce substrate specificity for camphor. why If so, the hydrogen bond to the substrate is lost. According to one aspect of the present invention, a monooxygen having the cysteine residue at position 334 removed. Mutants of the enzyme cytochrome P450cam are provided. Preferably, the removal removes the cysteine residue from another amino acid other than the cysteine residue. Is performed by substituting Alternatively, removal is by removing the entire 334th cysteine residue from the enzyme. Is performed. If necessary, replace the tyrosine residue at position 96 in the mutant with another residue other than tyrosine. Replace with Conveniently, the amino acids are the following amino acids: alanine, arginine , Asparagine, aspartic acid, cysteine, glutamic acid, glutamine, Lysine, histidine, isoleucine, leucine, lysine, methionine, proline , Serine, threonine, tryptophan, tyrosine and valine. Selected. However, when the position 334 is a cysteine residue, The acid is not cysteine and if the 96th site is a tyrosine residue, Noic acid is not tyrosine. Preferably, 87, 98, 101, 185, 193, 244, 247, 295 Amino acids at one or more of positions 297, 395 and 396 are different Has been substituted. The present inventors have proposed a published crystallographic atomic configuration. Co-ordinate) created P-450cam structure by modeling program Investigated using Quanta. We present near the P-450cam surface Is involved in intermolecular disulfide bond formation leading to protein dimerization? 5 possible cysteines (58, 85, 136, 148 and 334) Stain) was determined. The present inventors performed site-directed mutagenesis, These cysteines were replaced with alanine, and five Cys-Ala surface mutants (surfac emutant). Tamper in wild-type P-450cam and 5 Cys-Ala surface mutants The extent of dendrimerization was studied. Wild-type P-450cam and C58A , C85A, C136A and C148A mutants, the presence of dimers was Anion exchange high speed protein solution in Resource Q column (Pharmacia) Body chromatography (anion exchange fast protein liquid chromatography ) And Superose 12 column (Pharmacia) Exclusion chromatography. On the other hand, the C334A mutant Therefore, no dimer is detected, even at high concentrations (in the range of 0.1 mM). won. We have found that wild-type P-450cam is one of two protein molecules. Due to the formation of an intermolecular SS disulfide bond between the surface cysteine at position 334, It was concluded that it would undergo multimerization. The C334A mutant clearly eliminates undesired protein dimerization. Has a white benefit and therefore the presence of single species in solution. Always guarantee your presence. In addition, we note the completely unexpected benefit of this variant. I saw it. Like all proteins, wild-type P-450cam is in a stationary state. Indicates aggregation. It is not clear why the protein aggregates, but P-450 The cam aggregate is insoluble and catalytically inert. Wild type The C58A, C85A, C136A and C148A mutants were all Aggregation and dimerization even in storage at -20 ° C and 50% glycerol solution Showed embodiment. Agglomeration during turnover, especially any commercially viable High concentration of P-450cam required for industrial use, especially for organic molecule synthesis It will happen no matter what. The C334A mutant, even at a concentration of mM, Over time, they did not show any evidence of aggregation. Therefore, C334 The A variant is useful for protein handling, storage and increased catalyst shelf life. Has an advantageous effect. The present inventors have found that the mutation at the 96th site indicates that the mutated enzyme Are believed to be the key to enabling catalysis of organic substrates. Active site of enzyme Other amino acids adjacent to are used to alter the shape and specificity of the active site It may be mutated. These other amino acids include 87, 98, 101, 185 193, 244, 247, 295, 297, 395 and 396 Contains amino acids. Amino acids at one or more of these sites are Substitution with small hydrophobic amino acids to extend the active site, or shrink the active site Substituted with large hydrophobic amino acids to interact with the aromatic ring of the substrate To be replaced by an amino acid having the corresponding aromatic ring I have. For the oxidation reaction, the conditions are described in the literature in the attached reference list . Enzyme systems are typically putidaredoxin (putidaredoxin) in addition to the mutated enzyme. xin) and includes putidaredoxin reductase with NADH as a cofactor In. Examples of cyclohexylbenzene oxidation can be found in the experimental section below. Has been described. Various classes of organic compounds are foreseen and described below. The present inventors have reported that wild-type P-450cam is not Note that it is active against oxidation of a number of molecules. However, all In some cases, the mutant P-450cam protein has a very high turnover -Shows activity. i) organic compounds do not inactivate or denature aromatics, hydrocarbons or enzymes Any of the compounds used under the conditions. Mutations occur in the active site of the enzyme Mutated enzymes are used to create an aromatic-binding pocket Can catalyze the oxidation of aromatic compounds. Aromatic and polyaromatics as examples Oxidation of aromatic compounds is described in the experimental section below. Surprisingly, the wild-type enzyme is It has been reported to catalyze the oxidation of only Millie members, but some others Molecule of, for example, styrene19, Ethylbenzene9,10, Tetralone derivative20And Nico Chintwenty oneEtc. showed low activity. ii) The organic compound is a hydrocarbon, for example, an aliphatic or alicyclic compound having a functional group. (See Scheme 1). Aromatic protecting groups are converted to functional groups before the oxidation reaction Addition and removal from the functional groups after the oxidation reaction. A suitable aromatic group is a benzyl group . Protecting groups serve two purposes. One is to make the substrate more hydrophobic, Increasing binding to hydrophobic enzyme pockets. Second, the substrate is the active site That may help to keep. Therefore, right The use of aromatic protecting groups allows the regioselective and stereoselective hydroxylation of the substrate. Silation will be achieved. Examples of monofunctionalized hydrocarbons Examples include cyclohexyl, cyclopentyl, and alkyl derivatives (salts). Chiem 1). The oxidation products of these compounds are converted into organic compounds, especially in homochiral form. It is a valuable starting material when formed in Foreseeable range of aromatic protecting groups Such as benzyl or naphthyl ether and benzoyl ether and (Scheme 1). Benzoxazole groups as carboxyl protecting groups and Benzyl oxazolidine groups as aldehyde protecting groups are of interest. Both Can be easily cleaved after enzymatic oxidation and produce aldehydes and acids Described in the literature on oxidationtwenty two. iii) The organic compound is a C4-C12 aliphatic or alicyclic hydrocarbon. Shi The oxidation of cyclohexane and linear and branched hydrocarbons is described in the experimental section below. Has been demonstrated in The present inventors have also determined that wild-type P-450cam Can oxidize the offspring, but its activity is low, and the mutant It was found to show substantially high activity. iv) The organic compound is a halogenated aliphatic or cycloaliphatic hydrocarbon. Linden ( The oxidation of hexachlorocyclohexane) is also described below. Active site substitution and surface mutation of cysteine at position 334 to alanine (Surface mutation) and tyrosine at the 96th site Containing alanine, leucine, valine or phenylalanine instead of (Y96) Were constructed. Finally, some active site mutations (active site mutation) and a surface mutation to construct a mutant enzyme having multiple mutations. Was. Cytochrome P-450cam, its natural electron transfer partner, Putida The genes encoding redoxin and putidaredoxin reductase were Using polymerase chain reaction (PCR) from total cellular DNA of P. Putida And amplified. The combination of expression vector / E. Coli host used was , P-450cam is pRH1091 in the JM109 strain.twenty three,Petit Daredoxin is pUC118 in the JM109 strain, The reductase was pGL W11 in the DH5 strain. Oligonucleotide Oligonucleotide-directed site-specif ic mutagenesis), the method of Zoller and Smithtwenty fourAccording to M13mp19 Making a Loan and Selecting Mutants by Kunkel's Methodtwenty fiveWas performed. The binding of potential substrates was studied by spectroscopic methods. In the absence of substrate Wild-type enzyme is a 6-co-ordinated low-spin form and is weak Bound water occupies the sixth coordination site and is characterized by a maximum Soret band at 418 nm (Soret maximum). Amantanone, which is camphor and a substrate analog, The binding of adamantane and norbornane binds heme with the characteristic sole at 392 nm. It completely converted to a 5-coordinated high spin form with a negative band. The spin state of this hem The shift (haem spin-state shift) is achieved by increasing the reduction potential of heme. Which indicates that the physiological electron transfer partner, putidaredoxin, has P -450 cam can be reduced to initiate the catalytic hydroxylation cycle. And enable26. Therefore, the spin state shift of heme is shown in Tables 1 and 2. As can be seen, the molecules oxidized by the wild-type and P-450cam enzyme variants It is a qualitative sign of prospect. Buffer (50 mM, Tris-HCl, pH 7.4) containing 10 μM Toxin, 2 μM putidaredoxin reductase, 1 μM cytochrome P-450c am monooxygenase (wild type or mutant), 200 mM KCl, 50 μg / Ml bovine liver catalase (Sigma) and 1 mM target organic compound such as Buffer containing rohexylbenzene (added as a 0.1 M stock in ethanol) The solution, typically 3 ml, was preincubated at 30 ° C. for 5 minutes. NADH all The enzymatic reaction was started by adding to a concentration of 2 mM. 4 additional Aliquots of NADH (to increase the NADH concentration by 1 mM each time) Add at 10 min intervals, incubate for 30 min, aliquot of one substrate (To increase the concentration by 1 mM) was also added. After 60 minutes elapse, chloroform The reaction was terminated by adding 0.5 ml of the solution and vortexing the mixture. Was. The layers were separated by centrifugation (4000 g) at 4 ° C. Chloroform The layers were analyzed by gas chromatography. P-450cam-mediated oxidation products are commercially available For a number of, but not limited to, substrate compounds such as cyclohexylbenzene, The roform extract was evaporated to dryness under a stream of nitrogen. Hexane residue And oxidized products were separated by high performance liquid chromatography. Elution using a 1 / isopropanol gradient. The purified product is transferred to a mass spectrometer. And especially by nuclear magnetic resonance spectroscopy. For different substrates with different solubilities in aqueous buffers, incubate The substrate mass added to the plate mixture was varied between a final concentration of 0.2-0.4 mM. The NADH concentration was monitored at 340 nm and in all cases the incubation was Additional substrate and NADH were added during the reaction. Using the experimental techniques described above, we have determined that wild-type P-450cam and mutant A significant number of organic compounds were studied as substrates for both body Y96A. Laboratory Ultimately, mutant: Y96V; Y96L: Y96f: C334A: combined ) Mutant: F87A-Y96G-F193A and complex mutant of active site and surface : Y96A-C334A, Y96L-C334A, Y96F-C334A, F87A-Y96G-F193A-C334A. C334A and C The results for 334A-Y96A are shown in Tables 1 and 2. Here, structurally Related molecules are grouped together. Table 1 shows that small linear, branched and cyclic carbonizations by mutant Y96A-C334A. It lists the consumption of NADH for the oxidation of hydrogen. Tables 2 (a) to 2 (h) Product distributions for mutant and substrate combinations identified to date They are listed. The cysteine residue at position 344 is well known and freely available. Can be removed by standard restriction techniques that can Will not be explained.Scheme 1: aThe values were determined using the method of Sligar (S.G. Sligar, Biochemistry. 1976.15.5 5399-5406). Average of two independent measurements used. KappIs the value of K in the buffer.+Concentration of Heavily dependent on [K+]> 150 mM, K to camphorapp Is 0.6 μM for both wild type and Y96A. The data in this table are high To avoid salting out of the substrate at the ON concentration, in a phosphate buffer (pH 7.4): [K+] = 70 mM.b Saturation was not reached. Table 3 Turnover of small alkanes by P450cam mutant All variants listed below contain the C334A mutation. Turnover speed measured as NADH consumption speed (Nanomolar NADH / nanomolar P450cam / sec)Structure and analysis of the product following oxidation of the substrate by the P450cam active site mutant cloth "Background"-a typical background NADH oxidation rate of 0.0 7 nanomolar NADH (nanomolar P450cam)-1Second-1It is.
【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。[Procedure amendment] [Submission date] May 1, 1998 (1998.5.1) [Correction contents] The scope of the claims 1. A monooxygenase in which the cysteine residue at position 334 has been removed Cytochrome P450cam mutant. 2. Removal is achieved by replacing a cysteine residue with an amino acid other than cysteine. 2. The mutant according to claim 1, which is carried out. 3. Removal is by removing the entire cysteine at position 334 from the enzyme. 2. The mutant according to claim 1, which is carried out. 4. The tyrosine residue at position 96 in the mutant is another amino acid other than tyrosine The mutant according to any one of claims 1 to 3, which is substituted with: 5. The amino acids are alanine, arginine, asparagine, aspartic acid, glue Tamic acid, glutamine, glycine, histidine, isoleucine, leucine, lysine Methionine, proline, serine, threonine, tryptophan, tyrosine and 5. The method of claim 1, 2 or 4 selected from the group consisting of A variant according to any of the preceding claims. 6. 87, 98, 101, 185, 193, 244, 247, 295, 297, The amino acid at one or more of the positions 395 and 396 is another amino acid The mutant according to any one of claims 1 to 5, wherein the mutant is substituted with a residue.
───────────────────────────────────────────────────── 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────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (81) Designated countries 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) Inventor Nickerson Darren Paul United Kingdom Oxford Oeck S1 3U Manor Road Leewell Manor (No street address) (72) Inventor Hart Alwin James United Kingdom Leicestershire EL11 3 Cubie Roughborough Wood Brook Claude 33
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