<論文・報告>ホタルの発光色と酵素 - 基質間相互作用との立体構造に基づいた関係

Abstract

ホタルは，発光基質であるルシフェリンと酸素がATP，Mgイオンの存在下に酵素ルシフェラーゼの触媒作用により反応することによって黄緑色に発光することが知られている．近年，岩野らによって合成されたアカルミネというルシフェリン類似物は，ルシフェリンの代わりにルシフェラーゼ反応に供与すると赤色に発光する．この発光色の違いが，発光基質とルシフェラーゼとの相互作用の違いによるものなのか，あるいは，発光基質の化学的な性質の違いによるのかは不明である．そこで我々は，アカルミネとルシフェラーゼの反応後の複合体の立体構造をX 線結晶構造解析により決定し，ルシフェリンの場合と比較することでこの問題への解答を行った．その結果，反応に関わる両基質と酵素の官能基の原子間の立体的な位置関係は，ほとんど同じであった．このことから，基質? 酵素間の相互作用はほぼ同じと考えられ，発色の違いは，アカルミネとルシフェリン，それぞれの化学的性質の違いによることが示唆された． Fireflies generate a yellow-green light from the oxygenation of the luminescent substrate, d-luciferin, using molecular oxygen. This reaction is catalyzed by the enzyme luciferase in the presence of ATP and Mg2+ ions. A luciferin analog called AkaLumine emits a red light when subject to the same luciferase-catalyzed reaction. Whether the difference in emitted color is due to a difference in reaction mechanisms or to the different chemical properties of these two substrates remains unclear. To address the question, we determined the X-ray crystal structure of the complex formed between luciferase and the reaction products derived from AkaLumine at 2.5A resolution. Comparing the crystal structures obtained from the AkaLumine-derived complex with that previously obtained from d-luciferin revealed a common threedimensional arrangement of the functional groups participating in the reaction in luciferase as well as in both substrates. Our results indicate that the reaction mechanism of AkaLumine is almost identical to that of d-luciferin. Therefore, we propose that the red light emitted from AkaLumine is due to a difference in its chemical properties compared with d-luciferin.