• 検索結果がありません。

熊本大学学位論文

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

シェア "熊本大学学位論文"

Copied!
104
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

熊本大学学位論文

新興薬剤耐性菌が産生するメタロ -β- ラクタマーゼ の加水分解機構の解明と非可逆的阻害剤の開発

2005 山口 佳宏

Probing the hydrolysis mechanism of metallo-β-lactamases and development of their irreversible inhibitors

2005

Yoshihiro Yamaguchi

(2)

Probing the mechanism of hydrolysis of metallo-β-lactamases and development of irreversible inhibitors

Yoshihiro Yamaguchi Metallo-β-lactamases (MBLs) are dinuclear Zn(II) metalloenzymes that catalyze the efficient hydrolysis of a wide range of β-lactam antibiotics including carbapenems and extended-spectrum cephalosporins. The emergence of appearance of these antibiotic-resistant bacteria raises a considerable public health concern and awareness regarding the proliferation and treatment of infectious diseases. More than twenty MBLs have been identified in clinical isolates of major gram-negative pathogens. Furthermore, MBLs show little or no susceptibility to clinically used β-lactamase inhibitors such as clavulanic acid, tazobactam, and sulbactam. Although there have been reported several of compounds that inhibit MBLs, at present no clinically useful inhibitors appear to be available.

One of the causes for this is the rate of MBL dissemination and diversity, which prevents the development of ΜΒL inhibitors. These facts clearly highlight the urgency and importance of improving our understanding of MBLs to design either new β-lactam antibiotics with improved activity against bacteria or inhibitors that are capable of extending the utility and lifetime of currently used antibiotics.

Therefore, the aims of this study were to clarify the common hydrolysis mechanism of MBLs using kinetics and X-ray crystallographic studies and to develop mechanism-based irreversible inhibitors for all MBLs and agents for detecting MBL-producing strains with high sensitivity and selectivity.

The new findings obtained in this study are summarized as follows.

1. Knowledge of the pH dependency in hydrolyzing enzymes is indispensable to elucidate

the reaction mechanism because the active sites generally contain acidic or basic

groups and one protonated form of the acid and base is catalytically active. In

pH-jump experiments, IMP-1, a member of the MBL family and named from a

Serratia marcescens isolate collected in Japan in 1991, was inactivated in an acidic

medium by the dissociation of Zn(II) from the holo-enzyme, where ligands

coordinating to Zn(II) ion(s) may be protonated. The pH dependence for the IMP-1

hydrolysis in the presence of large excess of Zn(II) ion revealed that no functional

group having a pK

a

between pH 5 and 9 was present. These results suggest that the

pK

a

value of a bridging OH

2

to two Zn(II) ions (Zn1-OH

2

-Zn2), which acts as a

nucleophile to the carbonyl carbon on the β-lactam ring, is lower than 5. It is thought

(3)

that the positive charges of the two Zn(II) ions are the main cause for lowering the pK

a

for water as a nucleophile and assist in the deprotonation of the bridging OH

2

.

2. To probe the role of the well conserved Asp120 in the active site of IMP-1, site-directed mutagenesis was conducted. The two Asp120-mutants, D120(81)A and D120(81)E, in which asparatic acid was replaced by alanine and glutamic acid, were characterized using CD, metal analyses, steady-state kinetics, and X-ray crystallography. In the steady state kinetic experiments, D120(81)A and D120(81)E showed a remarkable reduction in activity, i.e. a decrease in k

cat

by 10

2

-10

4

fold and an increase in K

m

of several fold to 10

2

-fold. These results suggest that Asp120 in IMP-1 plays important roles in catalysis and substrate recognition. Furthermore, from pre-steady-state kinetic experiments, an anionic intermediate of nitrocefin having an absorption maximum around 650 nm was not observed for the IMP-1 mutants, suggesting that Asp120 in IMP-1 is not a proton donor to the anionic intermediate of nitrocefin. The pH dependence of the hydrolysis for the IMP-1 mutants indicated that Asp120 is not a factor in decreasing the pK

a

below 5 for the water bridging two Zn(II) ions. The three-dimensional structures of D120(81)E and Glu120(81)E were determined at a resolution of 2.0 and 3.0 Å, respectively. From the X-ray crystallography results, the structure of D120(81)E (the oxygen atom of Glu120(81)OE1 is presumably not coordinated to the bridging OH

2

or OH

-

), the oxygen atom of the carboxylate of Asp120 is essential for coordination to the bridging OH

2

or OH

-

by a hydrogen bond to achieve catalytic activity. Thus, the critical role of Asp120 is to orientate OH

2

or OH

-

, which acts as a nucleophile to the carbonyl carbon on the β-lactam ring.

3. To develop effective inhibitors against IMP-1, two novel MBL inhibitors,

pentafluorophenyl 3-mercaptopropionate (PFMP) and 3-(3-mercaptopropionylsulfanyl)propionic acid pentafluorophenyl ester (MPAP) were

synthesized. These compounds have a thiol group for the coordination to Zn(II)

ion(s), and an activated ester capable of interacting with the Cys 221 or Lys224 residue

in the active site as a nucleophile. From gel-filtration and dialysis experiments, the

treatment of IMP-1 with each inhibitor resulted in a nearly 100% inhibition, indicating

that both inhibitors inhibited IMP-1 very rapidly and irreversibly. The MALDI-TOF

mass spectra of IMP-1 treated with each inhibitor showed an increase in mass,

corresponding to the sum of the mass of the acyl moiety that is removed from the

pentafluorophenol group from the inhibitor and of IMP-1. Moreover, to identify the

site of amino acid attachment and to determine the three-dimensional structure, the

(4)

X-ray crystallography of IMP-1 complexed with MPAP was carried out at a resolution of 2.6 Å. X-ray crystallography revealed that the thiol group bridges between the two Zn(II) ions in the active site and the terminal carbonyl group in the acyl moiety covalently bonds to the side chain N

ζ

atom of Lys224 to form an amide bond.

4. To devise a fluorometric method for detecting MBL-producing strains rapidly and selectively, a novel fluorescence detecting reagent, N-[2-(5-dimethylamino-naphthalene-1-sulfonylamino)ethyl]-3-mercaptopropionamide

(DansylC2SH) was synthesized. This compound contains a thiol group as a Zn(II) ligand and a dansyl group as a fluorophore and both groups are linked via ethylendiamine as a spacer. To examine the ability of the fluorescent detecting agent for IMP-1, the fluorescence emission spectra of DansylC2SH in the absence or the presence of IMP-1 were measured. When a IMP-1 buffered solution was added to a DansylC2SH solution, fluorescence enhancement was observed, indicating that DansylC2SH binds in the active site, and interacts with Trp64(28) near the active site.

As mentioned above, these findings shed new light on our understanding of the common hydrolysis reaction mechanism for, not only MBLs, but also binuclear Zn(II) hydrolases that have been discovered recently. The inhibition modes of the inhibitors for IMP-1 designed and synthesized in this study were clarified to be irreversible using kinetics, MALDI-TOF mass, and X-ray crystallographic studies. These inhibitors interacted with IMP-1 to form a covalent bond between the acyl group in the inhibitor and the side chain N

ζ

atom of Lys224, leading to irreversible inhibition. Thus, the strategy for the design of irreversible inhibitors and X-ray crystal results in this study would help in the design of mechanism-based inhibitors that target, not only all MBLs, but also on other metalloenzymes such as metallo matrix proteases.

Moreover, it is expected that the fluorescence detecting reagent, DansylC2SH, represents a

lead compound for the further development of detecting agents and specific inhibitors with a

high affinity and selectivity for all MBLs.

(5)

本論文で使用した略号一覧表

MBL Metallo-β-lactamase

MALDI-TOF MS Matrix assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometer

MOPS 3-Morpholinopropanesulfonic acid MES 2-Morpholinoethanesulfonic acid

WT Wild-type

CD Circular dichroism

DMSO Dimethyl sulfoxide

Tris Tris(hydroxymethyl)aminomethane

PDB Protein Data Bank

MW Molecular weight

SDA-PAGE Sodium dodecyl sulfate-polyachrylamide gelelectrophoresis PFMP Pentafluorophenyl 3-mercaptopropionate

MPAP 3-(3-Mercaptopropionylsulfanyl) propionic acid pentafluorophenyl ester

TFA Trifluoroacetic acid

3-MPA 3-Mercapropropionic acid

Hepes 2-[4-(2-Hydroxyethyl)-1-piperazinyl]ethanesulfonic acid PCR Polymerase chain reaction

NCCLS National committee for Clinical Laboratory Standards DansylC2SH N-[2-(5-dimethylamino-naphthalene-1-sulfonylamino)ethyl]

-3-mercaptopropionamide

CA Carbonic anhydrase

(6)

本論文は学術雑誌に掲載された次の論文を基礎とするものである。

1. Dependence of Hydrolysis of β-lactams with a Zinc(II)-β-Lactamase Produced from Serratia marcescens (IMP-1) on pH and Concentration of Zinc(II): Dissociation of Zn(II) from IMP-1 in Acidic Medium

Masafumi Goto, Hisami Yasuzawa, Toshihiro Higashi, Yoshihiro Yamaguchi, Akiko Kawanami, Shiho Mifune, Hiromasa Mori, Hitoshi Nakayama, Kumiko Harada, and Yoshichika Arakawa

Biol. Pharm. Bull., 26, 9-594 (2003)

2. Detection of Metallo-β-Lactamase (IMP-1) by Fluorescent Probes Having Dansyl and Thiol Groups

Hiromasa Kurosaki, Hisami Yasuzawa, Yoshihiro Yamaguchi, Wanchun Jin, Yoshichika Arakawa, and Masafumi Goto

Org. Biomol. Chem., 1, 17-20 (2003)

3. Probing the Role of Asp120(81) of Metallo-β-Lactamase (IMP-1) by Site-directed Mutagenesis, Kinetic Studies and X-ray Crystallography

Yoshihiro Yamaguchi, Takahiro Kuroki, Hisami Yasuzawa, Toshihiro Higashi, Wanchun Jin, Akiko Kawanami, Yuriko Yamagata, Yoshichika Arakawa, Masafumi Goto, and Hiromasa Kurosaki

J. Biol. Chem., 280, 20824-20832 (2005)

4. Irreversible Inhibition of Metallo-β-Lactamase (IMP-1) by

3-(3-Mercaptopropionylsulfanyl)propionic Acid Pentafluorophenyl Ester

Hiromasa Kurosaki, Yoshihiro Yamaguchi, Toshihiro Higashi, Kimitaka Soga, Satoshi Matsueda, Haruka Yumoto, Shogo Misumi, Yuriko Yamagata, Yoshichika Arakawa, and Masafumi Goto

Angew. Chem. Int. Ed., 44, 3861-3864 (2005)

(7)

目次

1

緒言

···1

2

酸性溶液中における

metallo-β-lactamase (IMP-1)

からの

Zn(II)

イオンの解 離とβ-ラクタム加水分解活性の

pH

依存性···9

1

序論

···9

第2節 結果

··· 11

2-1

酸性溶液中における

IMP-1

の加水分解活性と

Zn(II)

イオン添加による 活性の回復

··· 11

2-2

酸性溶液中における

IMP-1

からの

Zn(II)

イオンの解離

···12

2-3 イミペネムに対する加水分解の pH

依存性

···14

3

考察

···15

第4節 小括

···19

第3章 部 位 特 異 的 変 異 法 、 速 度 論 解 析 、

X

線 結 晶 構 造 解 析 を 用 い た

metallo-β-lactamase (IMP-1)

Asp120(81)

の役割の検討

···20

第1節 序論

···20

2

結果

···22

2-1 Asp-120(81)変異体、D120(81)A

および

D120(81)E

の構築

···22

2-2 IMP-1

変異体の基質加水分解に対する速度論的パラメータの決定

···22

2-3 IMP-1

変異体の基質加水分解活性に対する

pH

依存性···24

2-4 WT

IMP-1

変異体の前定常状態におけるニトロセフィン加水分解

···26

(8)

2-5 D120(81)A

D120(81)E

X

線結晶構造解析

···28

2-6

アニオンによる

D120(81)A

の阻害と阻害に対するアニオン依存性

····32

第3節 考察

···33

4

小括

···39

4

3-(3-Mercaptopropionylsulfanyl)propionic acid pentafluorophenyl ester

によ

metallo-β-lactamase (IMP-1)の非可逆的阻害···40

1

序論

···40

第2節 結果

···42

2-1

新規阻害剤の

IMP-1

に対する阻害能

···42

2-2

ゲルろ過法による非可逆阻害性の検討···42

2-3

透析法による非可逆阻害性の検討

···45

2-4

阻害剤処理

IMP-1

のレーザーイオン化質量分析装置(MALDI-TOF

MS)

による分子量測定

···45

2-5 MPAP

で処理した

IMP-1

X

線結晶構造解析

···47

3

考察

···50

第4節 小括

···53

第5章 ダ ン シ ル 基 と チ オ ー ル 基 を 有 す る 蛍 光 プ ロ ー ブ に よ る

metallo-β-lactamase

の検出

···54

第1節 序論

···54

2

結果

···55

2-1 DansylC2SH

蛍光量子収率の決定

···55

2-2 IMP-1

共存下の

DansylC2SH

の蛍光スペクトル変化と

IMP-1

との解 離定数の決定···55

(9)

2-3 Alubmin

及び

CA

存在下における

DansylC2SH

の蛍光スペクトルと

IMP-1

存在下の蛍光スペクトルとの比較検討

···58

2-4 apo IMP-1

存在下における

DansylC2SH

の蛍光スペクトルと

Zn(II)イオン

の効果

···59

2-5

トリプトファン励起光(280 nm)による

DansylC2SH

共存下の

IMP-1

の蛍光スペクトル変化

···60

2-6 DansylC2SH

による

IMP-1

阻害の検討

···62

3

考察

···63

第4節 小括

···65

第6章 総括 ···67

実験の部···71

謝辞

···88

参考文献···90

(10)

1

章 緒言

人類が

1940

年代半ばにペニシリンの工業的大量生産に成功して以来、各種の抗生 物質の探索や抗菌薬の開発が意欲的に推し進められ、細菌感染症の治療は著しく進歩 した。β-ラクタム剤は、細菌の外膜の主要な構成要素であるペプチドグリカンの生合 成に関与するペニシリン結合蛋白質

(PBP)

transpeptidase

機能を阻害するので、極め て選択毒性に優れ現在も汎用されている 1。だがこれらの薬剤の使用に伴い、耐性を 持つ菌株が増加している。細菌の耐性機構は抗菌薬の標的部位の変化、酵素による薬 剤の不活化、細胞内への薬剤透過性の低下、細胞外への薬剤排出などが挙げられる。

そこで耐性菌の克服とより広い抗菌スペクトルを求めて、第

2

3

世代へと抗菌薬の 開発が行われた。

1980

年代の中頃から、グラム陽性菌から陰性菌までに幅広い抗菌力 を発揮するカルバペネム薬が臨床で使用され始め、

β-

ラクタム剤の中でも切り札的な 存在として扱われた2。しかし

1990

年代に入ると、カルバペネム薬に耐性をもつ病原 菌が世界各地で報告され、日和見感染症や院内感染の起炎菌として問題となっている。

β-ラクタム剤を不活化する酵素、β-lactamase

はβ-ラクタム剤を加水分解することに より、抗菌活性を消失させる。

β-lactamase

はアミノ酸配列の相同性から

class A

から

D

に 分 類 さ れ て お り 、 酵 素 の 活 性 中 心 が セ リ ン 残 基 で あ る

class A

C

D

serine-β-lactamase

Zn(II)

イオンである

class B

metallo-β-lactamase (MBL)

2

種類 が知られている3

MBL

1966

年に非病原菌である

Bacillus cereus

から初めて発見さ 4

1985

年に

Pseudomonas maltophilia

から

L1

が発見された5

1991

年に初めて病原 菌である

Bacteroides fragilis

から

CcrA

6

Aeromonas hydrophilia

から

CphA

7

1994

年に

Serratia marcescens

から

IMP-1

が発見された8。この時期から

MBL

産生菌の迅速な同 定法が報告され9、急速に

MBL

産生菌が単離されるようになり、現在までに

20

種類 を超える

MBL

が同定されている10

さらに

MBL

は保存されているアミノ酸配列から、subclass B1から

B3

まで分類さ

(11)

れている 11。Fig. 1 に代表的な

MBL

で保存されているアミノ酸配列と活性中心を

subclass

に分けて比較した。本論文においてアミノ酸番号は

class B β-lactamase (BBL)

numbering

に従い番号付けした。また( )の中は

matured

酵素におけるアミノ酸番号を

示す11。例えば

IMP-1

Asp120(81)

は、

BBL numbering

では

120

番目、

matured IMP-1

では

81

番目のアミノ酸番号を示す。

Subclass B1 (..HxHxD..)

BcII DVIITHAHADRIGGI CcrA TFIPNHWHGDCTGGL IMP-1 GSISSHFHSDSTGGI VIM-2 RAVSTHFHDDRVGGV BlaB MNIATHSHDDRAGGL IND-1 AVFATHSHDDRAGDL

Subclass B2 (..NxHxD..)

CphA EVINTNYHTDRAGGN

Subclass B3 (..HxHxDH..)

L1 LILLSHAHADHAGPV FEZ-1 ILLISHAHFDHAAGS

116 118 120

116 118 120

116 118 120

A)

Subclass B1 CcrA12

Subclass B2 CphA13

Subclass B3 L114

B)

Fig. 1. A) Comparison of alignment of the amino acid sequences between subclasses

of MBLs

11

. B) Comparison of the active site of the three subclasses

12-14

.

(12)

MBL

subclass B1

は、

His116-x-His118-x-Asp120

の配列を有しており、

BcII

では活 性中心に

1

つの

Zn(II)

イオンを含むが、それ以外は

2

つの

Zn(II)

イオンを含む 15

Subclass B2

は、Asn116-x-His118-x-Asp120の配列を有しており、活性中心に

Zn(II)イ

オンを

1

つ含むが、

2

つ目の

Zn(II)

イオンの結合は活性を阻害することが知られてい 16。Subclass B3は、His116-x-His118-x-Asp120-His121の配列を有しており、活性中 心に

2

つの

Zn(II)

イオンを含む14

Subclass

間の活性中心の構造は、

subclass B1

につ いては詳細に後述するが、subclass B2では、1つの

Zn(II)イオンが Zn2

サイトに結合 し、

Zn1

サイトには

Zn(II)

イオンが結合せず、また

subclass B3

では、

His121

Zn2

イトの

Zn(II)イオンに配位していることが X

線結晶構造解析の結果から明らかにされ

(Fig. 1B)

13, 14

MBL

である

IMP family

VIM family

は主として日和見感染で問題となる

P.

aeruginosa

S. marcescens

から発見されている8, 10, 17

IMP

遺伝子、

VIM

遺伝子は伝 達性プラスミド中に存在するインテグロン構造にカセットとして組み込まれている

(Fig. 2)

。インテグロン構造はカセット組み込み・離脱のためのインテグラーゼとカセ

ット遺伝子発現のための

promotor

領域を含むため、水平的に他の細菌に伝播すること ができる18。またカセット遺伝子としてアミノグリコシド耐性遺伝子なども含むこと から、インテグロンを有する細菌は獲得性の多剤耐性菌となる。

IMP

遺伝子、

VIM

伝子は日本のみならず世界中に拡散しており、また

IMP family

IMP-1

から

IMP-13

まで、VIM family

VIM-2

から

VIM-8

まで少しずつアミノ酸配列に変異が入りなが ら発見されることから、特に警戒する必要がある遺伝子である10。そのため

IMP family

および

VIM family

に有効な阻害剤開発は急務である。その他の

MBL

産生菌の世界中

への拡散は

IMP family

および

VIM family

に比べると少ないが、臨床で単離されてい ることから、すべての

MBL

に有効な阻害剤を開発するために、すべての

MBL

に共 通な加水分解機構および基質・阻害剤認識機構を原子・分子レベルで詳細に解明する ことが重要であると考える。

(13)

インサーション配列 (IS) インサーション配列 (IS) インテグラーゼ遺伝子

メタロ-β-ラクタマーゼ遺伝子

アミノグリコシド耐性遺伝子

耐性遺伝子カセット

インテグロン構造

伝達性R-プラスミド

耐性菌

インサーション配列 (IS) インサーション配列 (IS)

インテグラーゼ遺伝子

メタロ-β-ラクタマーゼ遺伝子

アミノグリコシド耐性遺伝子

耐性遺伝子カセット

インテグロン構造

伝達性R-プラスミド

耐性菌

Fig. 2. The structure of integron mediated the gene encoded IMP family.

CcrA

3

次元構造と活性中心を

Fig. 3

に示す12

MBL

は特徴としてαβ/βαのサンド イッチ構造を持ち、

β-

シートの間に

Zn(II)

イオンが

1

つまたは

2

つ広くて浅い溝に存 在することが

X

線結晶構造解析により報告されている12。この構造は報告されている すべての

MBL

で見られる。また活性部位は広くて浅い溝の底にあるため、様々な

β-

ラクタム剤を収容することができる。そのためほとんどすべてのβ-ラクタム剤を加水 分解することができると考えられている。また活性中心近傍には「フラップ」と呼ば れるヘアピンループが存在し、基質認識に重要であることが知られている(Fig. 3A)。

Zn(II)

イオンに対する活性中心の配位構造は、

Fig. 3B

で示しているように、

1

つの

Zn(II)

イオン(Zn1)は

3

つの

His

と架橋した水分子とで四面体構造をとっており、他の

Zn(II)

イオン

(Zn2)

はもう

1

つの水分子と

Asp

を頂点として、

Cys

His

と架橋した水分子と でできる三角両錘構造をとっている。

染色体

(14)

Fig. 3. A) The overall structure of CcrA (PDB code, 1ZNB

12

). B) The active site of CcrA

MBL

の加水分解機構は、単核

Zn

酵素である

BcII

と、複核

Zn

酵素である

CcrA

提案されている。Fig. 4で示すように

BcII

では、Zn(II)イオンに配位した

OH

2

OH

- となってβ-ラクタムのカルボニル炭素を求核攻撃し、テトラヒドラル中間体形成後,

活性中心にある

Asp

がプロトンシャトルの役割をし、

β-ラクタム環が加水分解される

19。一方

CcrA

では、

2

つの

Zn(II)イオンに架橋した OH

2

OH

-になり

BcII

と同じよう に求核攻撃をする。その後

Zn2

がアニオン中間体を安定化し、この中間体にプロトン が付加されることによりβ-ラクタム環が加水分解される。このとき活性中心にある

Asp

は求核攻撃の補助をすると考えられている(Fig. 5)12, 20-23。しかし、未だ詳細な反 応機構は明らかにされていない。

フラップ

(15)

O O Asp His

Zn1 O H

H

+H2O

His His

H

N O OH

S

COO-

NO2 O2N

N S C

O O

Asp His

H

Zn1 His

N S

O COO- HN

S C

NO2

NO2 His

OH

O H

O O

Asp H His

Zn1 His

N S

O COO- C N

S

NO2

NO2 H

O

His

nitrocefin (391 nm) nitrocefin tetrahedral-intermediate

hydrolyzed nitrocefin (491 nm)

O

O H

Fig. 4. Proposed mechanism of nitrocefin hydrolysis by the mono-Zn(II) MBL (BcII).

MBL

阻害剤は、

1996

年から、

trifluoromethyl alcohols and ketones

24

hydroxamates

25

thiols

19, 26-34、thioester 誘導体 28, 35-38、cysteinyl peptides39、biphenyl tetrazoles40, 41

mercaptocarboxylates

28, 39, 42

1β-methylcarbapenem

誘導体43, 44

2,3-disubstituted succinic acid

誘 導 体 45

tricyclic natural products

46

N-arylsulfonyl dydrazones

47

synthetic

cephamycin

誘導体48が報告されているが、いずれも可逆的な阻害剤であり、また数種

類の

MBL

しか阻害しない。個々の阻害剤は酵素が違うと阻害の強さが異なることか ら、それぞれ異なった酵素

-

阻害剤結合様式をもつと考えられる。

MBL

阻害剤を開発 するためには、これらの酵素の

1) Zn(II)イオンおよび近隣のアミノ酸残基、 2)

疎水性 残基と阻害剤との結合様式を

X

線結晶構造解析などにより分子レベルで活性中心の

(16)

Zn1 Zn2 His Zn2

Zn1 Zn2 His

His

Zn1 His

N S

O

COO-

NO2 NO2 C N

S

H

O

Cys H OH

O

-O Asp

O

H

His His

Cys His

His

-O O Asp His

H

N O OH

S

COO-

NO2 O2N

N

S C H

O

O H

His

His -O O

Asp N O

OH

S

COO-

NO2 O2N

N

S C H

O

Cys

His O

H

H

+ H2O

nitrocefin anion-intermediate (665 nm)

Fig. 5. Proposed mechanism of nitrocefin hydrolysis by the di-Zn(II) MBL (CcrA)

詳細な構造を明らかにした上で設計することが重要である。

MBL-

阻 害 剤 複 合 体 の

X

線 結 晶 構 造 解 析 は 現 在 ま で に 、

CcrA

と 阻 害 剤

4-morpholinoethanesulfonic acid (MES)の複合体

49、CfiA

tricyclic natural products

複 合 体 46

IMP-1

と 阻 害 剤

mercaptocarboxylate (2-[5-(1-tetrazolyl-methyl)thien-3-yl]

-N-[2-(mercaptomethyl)-4-(phenylbutyrylglycine)])

の複合体 42 および 2,3-dissubstituted

succinic acid

誘導体の複合体 45

Chryseobacterium meningosepticum

由来である

BlaB

D-captopril

の複合体50、Legionella gormanii 由来である

FEZ-1

D-captopril

の複 合体 51について報告されている。新しい阻害剤の開発はこれらの

X

線結晶構造解析 の結果に立脚し、合理的に分子設計する必要があると考えられる。

感染菌の

MBL

産生の有無を確認することは感染症治療の初期段階において極めて

(17)

重要である。現在知られている

MBL

の検出方法として耐性遺伝子の塩基配列を利用 する

PCR

法があるが、高度な技術と特殊試薬を必要とするため臨床検査で日常的に 行うのは困難である 74。2000年に

Arakawa、Goto

らは、メルカプト酢酸ナトリウム

ディスク

(SMA)

とセフタジジム

(CAZ)

のディスクを並置するダブルディスク法を報

告した75。これは、NCCLS76に従いミューラーヒントン培地に

MacFarland 0.5

菌液を綿棒で塗布し、

MBL

に対して阻害作用を示す

SMA

ディスクとセフェム系抗 菌剤である

CAZ

のディスクを並置して一晩置き、ディスク周辺の発育阻止帯の変化 から

MBL

の産生の有無を識別する方法である。この方法は、臨床検査で比較的簡単 に使用することが可能だが長時間を要するという欠点があった。

これらの背景の下、本研究は日本で発見され、その耐性遺伝子がプラスミド上に存

在する

IMP-1

を対象として以下の研究を行なった。第

2

章では

IMP-1

からの

Zn(II)

イオンの解離機構をイミペネム加水分解活性の

pH

依存性で検討し、第

3

章ではすべ ての

MBL

の活性中心に保存されている

Asp120

IMP-1

変異体を調製し、

pH

依存性、

速度論的解析および

X

線結晶構造解析により

Asp120

の役割を明らかにした。さらに

4

章では

IMP-1

の三次元構造に基づいて、

IMP-1

に対し非可逆的に阻害する新規阻

害剤を設計、合成し阻害活性ならびに阻害様式を速度論的解析、

MALDI-TOF MS

X

線結晶構造解析により解明した。第

5

章では簡便にかつ短時間で検査できる蛍光プロ

ーブ法で

IMP-1

産生菌を同定するために新規蛍光剤を設計、合成し蛍光スペクトル測

定および阻害活性測定から新規蛍光剤の特徴づけを行なった。以下に得られた知見を 詳述する。

(18)

2

章 酸性溶液中における

metallo-β-lactamase (IMP-1)からの Zn(II)イオンの解離

β-

ラクタム加水分解活性の

pH

依存性

1

節 序論

加水分解酵素の研究において、活性の

pH

依存性を調べることは詳細な反応機構を 知る上で重要な研究手法の

1

つである。これは酵素の加水分解反応が、活性中心を構 成している酸性または塩基性側鎖をもつアミノ酸の

pK

aと密接に関係しているためで ある。特に活性中心に金属イオンを含有する場合、金属イオンのリガンドへの配位は リガンドのプロトン化と金属イオンとの競争反応によって達成される。金属イオンが 加水分解反応機構に参加している場合、2 つの点に注意を払う必要がある。第一に、

金属イオンの解離がリガンドのプロトン化状態に依存するため、

pH

によるリガンド からの金属イオンの解離の検討を行なう必要があること。第二に、加水分解酵素の反 応物

(

基質

)

への攻撃種は、金属イオンに配位している

OH

2

H

+が解離した

OH

-である と考えられており、金属イオンの配位水の

pK

a を検討しなければならない。つまり、

加水分解酵素にとって、如何に攻撃種である

OH

2

pK

a を下げるかが重要となる。

OH

2

pK

aを下げる

1

つの手段として正電荷を持った

Zn(II)イオンへの配位がある。

これが多くの加水分解酵素の活性中心に

Zn(II)

イオンを含む理由の

1

つである。遊離

OH

2

pK

a

14.0

であるが、Zn(II)-OH2

pK

a

10.0

と下がる。これは

Zn(II)イオ

ンの正電荷に

OH

2の電子が引き付けられる事で

H

+が解離しやすいと考えられる。さ らに

Zn(II)-OH

2にリガンドが配位することで

Zn(II)-OH

2

pK

aは下がることがわかっ ている。例えば、

carboxypeptidase A

は重要な加水分解酵素であるが、その

Zn(II)-OH

2

pK

a

6.1

であると推定されている52

本研究対象である

MBL

の多くは複核

Zn

酵素であり、

β-

ラクタム環の加水分解を触 媒している。β-ラクタム環のカルボニル炭素への求核試薬は

2

つの

Zn(II)イオンに架

(19)

橋して配位している配位水(Zn1-OH2

-Zn2)だと考えられている

12, 14。MBLであり単核

Zn

酵素である

BcII

は前述したように、

β-

ラクタム環の加水分解に

2

つの

H

+の関与を 示し、その

1

つは

Zn(II)イオンに配位している Zn1-OH

2

pK

a

5.6

と考えられてい 19。もう

1

つの

H

+はすべての

MBL

に保存されている

Asp

で同じ

pK

aを持つとされ 19。しかし

MBL

で複核

Zn

酵素である

CcrA

では、活性の

pH

依存性や溶媒同位体 効果による評価を行なったが、

pK

a

5

から

9

の間にある官能基は存在せず、

2

つの

Zn(II)イオンに架橋した Zn1-OH

2

-Zn2

pK

a

5.0

以下であることが報告されている

22, 23。これらのことから単核

Zn

酵素の

BcII

と複核

Zn

酵素の

CcrA

では違う反応機構

が提案された53

しかし

BcII

CcrA

pH

依存性の研究では、

Zn(II)

リガンドのプロトン化状態のこ とが考慮されていない。このことは(1) リガンドがプロトン化されることで

Zn(II)イ

オンが酵素から脱離し活性が低下したこと、

(2)

活性種である

OH

-

(Zn-OH

-

)

がプロト

ン化され

OH

2

(Zn-OH

2

)になると活性が低下すること、以上 2

つの問題点が重なり、正

当な評価ができていないと考えた。

そこで、MBLであり複核

Zn

酵素である

IMP-1

pH

依存性を調べるために、

1

pH

による

IMP-1

からの

Zn(II)

イオン脱離の検討

2)(1)を基にしたイミペネム加水分解活性の pH

依存性

を行なった。この結果を基に、

IMP-1

の加水分解機構のみならず、複核

Zn

酵素の反 応機構を解明することが本研究の目的である。

(20)

Fig. 6. Time-course of absorbance change at 298 nm at 30 ºC for hydrolysis of imipenem on the addition of 10 nM IMP-1 in 50 mM Tris buffer(pH 7.4) to 100 µM imipenem in 0.2 M acetic acid-sodium acetate buffer(pH 5.1)-0.5 M NaCl. After 900 s, Zn(NO

3

)

2

was added and the measurement was continued.

2

節 結果

2-1 酸性溶液中における IMP-1

の加水分解活性と

Zn(II)イオン添加による

活性の回復

酸性溶液中における

IMP-1

のイミペネム加水分解活性は、

100 µM

のイミペネムを 含む酢酸緩衝液 (0.2 M, pH 5.1, 0.5 M NaCl)に

IMP-1

溶液 (Tris-HCl buffer, 50 mM, pH

7.4, 0.5 M NaCl)

10 nM

になるように加え、

298 nm

の吸光度の減少から測定した。イ ミペネムの加水分解は、最初の

100

秒の間ですばやく起こったが、時間の経過と共に 急速に活性の減少が観察され、

100

秒後には時間変化に伴う吸光度変化は一定となり、

反応が終了したかのように見えた(Fig. 6)。

(21)

Fig. 7. Dependence of activity, k

2

, for hydrolysis of imipenem by IMP-1 on the concentration of Zn(NO

3

)

2

at pH 5.0.

しかし今回用いたイミペネムがすべて分解された場合、その吸光度変化は

1.0

である と予想されるが、

400

秒後では

0.1

の吸光度変化しか変化していなかった。そこで、

900

秒後に

Zn(NO

3

)

2

100 µM

になるように反応溶液に加えると、酵素活性が回復し、

298 nm

の吸光度の急速な減少が観察された

(Fig. 6)

2-2

酸性溶液中における

IMP-1

からの

Zn(II)

イオンの解離

2-1

から、

IMP-1

は酸性溶液中でホロ酵素から

Zn(II)

イオンの解離によって活性が消

失することがわかった。このことから活性のある

Zn

結合型と活性のない

Zn

解離型の 間に平衡があると考え、酸性溶液中におけるイミペネム加水分解活性の

Zn(II)

イオン 濃度依存性を調べた。

IMP-1

pH 4.0

から

9.0

の緩衝液中で

30 ºC

10

分間、様々な

Zn(II)

イオン濃度であらかじめインキュベートされ、イミペネム加水分解の初速度

v

init

(22)

Table 1. The dissociation constants of Zn(II) from IMP-1 and the limiting k

max

for the hydrolysis with concentration of Zn(II) determined using imipenem as a reporter substrate.

pH k

max

/min

-1

K

d

/µM log k

max

p(K

d

/µM)

4.0 200 6100 2.29 -3.79

4.1 550 7000 2.74 -3.85

4.2 770 2900 2.89 -3.46

4.33 990 840 2.99 -2.93

4.45 1210 180 3.08 -2.26

4.55 1370 84 3.14 -1.92

4.73 1450 16 3.16 -1.21

5.0 1670 2.6 3.22 -0.42

5.21 1790 1.3 3.25 -0.10

5.41 1910 0.38 3.28 0.42

5.61 2660 0.70 3.43 0.16

5.61 3380 0.11 3.53 0.97

6.0 3900 0.19 3.59 0.73

7.4 5210 0.25 3.72 0.60

8.0 5160 0.093 3.71 1.03

9.0 4950 0.17 3.69 0.78

から酵素濃度[E]Tで除することで分子活性

k

2

(v

init

/[E]

T

)を得た。 Fig. 7

pH 5.0

におけ

Zn(II)

イオン濃度に対する

k

2のプロットを示す。外部からの

Zn(II)

イオンがない時

v

0

82 min

-1であったが、IMP-1の分子活性

k

2

Zn(II)イオン濃度の増加により上

昇し、

Zn(II)

イオン濃度が

0.5 µM

のときは

320 min

-1となり、

20 µM

のときほぼプラト ーに達した (k2

= 1500 min

-1

) (Fig. 7)。

この挙動は酸性溶液中においては、

Zn(II)

イオンが活性中心から解離して、活性の ある

Zn

結合型と活性のない

Zn

解離型の間の平衡が存在するという仮定と一致するこ とを示す。活性から求めた

IMP-1

からの

Zn(II)

イオンの解離定数

K

dと飽和活性

k

max

は、Eq. 9 (p74参照)の非線形最小二乗法を使って求めた。得られた速度論的パラメー

K

d

k

max

Table 1

に示す。解離定数

K

d

pH 5.0

から

4.0

に減少するにつれて大き く増加した。kmaxと、pH と比較するために

K

dの常用対数をとった-log

K

d

pH

に対 してプロットした

(Fig. 8)

Fig. 8

で示すように、

pH

に対する

-log K

dのプロットは

pH

(23)

Fig. 8. Dependence of dissociation constant (K

d

) (○) and limiting rate constant (k

max

) (□) for imipenem by IMP-1 on pH.

5.0

以下で傾きが

4.0

の直線を得た。さらに

Fig. 8

の変曲点から、IMP-1からの

Zn(II)

イオンの解離に関与している官能基の

pK

a

5.3

であることがわかった。

2-3 イミペネムに対する加水分解の pH

依存性

活性変化から得られた

IMP-1

からの

Zn(II)イオンの解離定数 K

d

2-2

で得ることが できたので、

IMP-1

活性の

pH

依存性をそれぞれの

pH

における

K

d

25

倍量の

Zn(NO

3

)

2

の濃度で基質であるイミペネムの濃度を変えて分子活性

k

2を求めた。使用した緩衝液 は、

pH 4.0

5.6

では酢酸緩衝液

(0.2 M, 0.5 M NaCl)

pH 5.6

9.0

では

MTEN

緩衝液で あった。データは

Michaelis-Menten

の式(Eq. 10、p74参照)を使って速度論的パラメー

K

m

k

catを求めた。

Fig. 9

で示したように、イミペネムの

log k

catに対する

pH

プロットは

pH 7.0

8.0

(24)

Fig. 9. pH profiles of log (k

cat

/min

-1

) (○), log (K

m

/µM) (□) and log (k

cat

/K

m

/min

-1

µM) (∆) for the hydrolysis of imipenem by IMP-1 under sufficient concentration of Zn(II) at 30 ºC.

の間で最大となったが、pH 4.0

5.0

付近で減少した。log

K

mのプロットは、pH 4.8

6.0

で最小であり、

pH 4

付近で急激に上昇した。これらの結果から

log K

m

/k

catのプ ロットは、pH 6.0から

8.0

の間でプラトーになり、酸性側と塩基性側で縁となるよう な、ベル型となった。

3

節 考察

加水分解酵素の活性の

pH

依存性の研究は、一般的に活性中心は酸性または塩基性 アミノ酸残基を含んでおり、それらのプロトン化状態が触媒的な活性発現に重要であ るため、詳細な反応機構を解明する上で必要不可欠である。

MBL

による

β-

ラクタム

(25)

剤の加水分解の

pH

依存性はいくつか報告されている19, 52-55。これらの

pH

依存性の測 定法において、

Zn(II)

イオン濃度は、酵素濃度の

10

53または

500

倍以上19緩衝液に 加えられている。BcII活性の

pH

依存性を報告した論文では、酸性領域で傾き

2

の直 線が得られ、この結果から

BcII

の加水分解反応機構は、

2

つの解離できる残基、

Zn(II)

イオンに配位した

Zn1-OH

2 と、加水分解にとって重要な残基として提案されている

Asp

が関与していると提案された54。しかしながら金属酵素にとって、金属イオンは 酵素機能発現には活性中心に保存されるべきであり、

pH

による

Zn(II)イオンに配位し

ているリガンドのプロトン化状態を調べる必要がある。

pH 7.4

の条件下にある

IMP-1

pH 5.1

に調整された基質溶液と混合され、反応が

始まると基質に対する活性は

100

秒以内ですばやく減少し、減少した活性はその後維 持された(Fig. 6)。しかし、反応が開始してから

900

秒後に

Zn(II)イオンを添加したと

ころ、酵素活性が回復したことから、

Zn(II)

イオンが酸性溶液中で

IMP-1

から解離し たことがわかった(Fig. 6)。これは、

pH 7.4

の酵素溶液が

pH 5.0

の緩衝液に移された時、

ある速い変化が起こったため、数

100

秒で酵素活性が不安定な活性になったと考えら れる。これらのことから、酸性溶液中、30 ºCでは最初の

100

秒以内に

Eq. 1

が起こっ ていると考えた。

active form non-active form + Zn(II) Eq. 1 K

d

酸性領域において、活性から求められた

Zn(II)イオンの解離定数 K

d

pH

依存性は、

4

つのプロトン化が

Zn(II)

イオンの解離に関与して、それら官能基の

pK

a

5.3

と考え られる(Fig. 8)。この

Zn(II)イオンリガンドのプロトン化は、酸性溶液中においてみか

けの

IMP-1

の不活性化に強く関係していた。アミノ酸側鎖の

Zn(II)

イオンに対する配

位は

pH

に強く支配され、1 つ以上のリガンドが協奏的に金属イオンを捕捉する役割

(26)

をしている。遊離の

His

pK

a

5.97

であるが、このことから

His

のイミダゾール

pK

aより低い

pH

でプロトン化されることで、酵素分子から

Zn(II)

イオンが解離 したと考えられる。

IMP-1

Zn

含量は酵素

1

分子あたり

2

つであるが、本研究における活性がない

IMP-1

Zn

含量は不明である。しかし、IMP-1 を含む

MBL

では、1つの

Zn(II)イオ

ンだけで活性があると報告されている56-58

IMP-1

からの

Zn(II)

イオンの解離を

Eqs. 2, 3

で示す。

E-Zn

2

E-Zn + Zn

E-Zn E + Zn

K

d1

K

d2

Eq. 2 Eq. 3

不活性なフリーの酵素濃度[E]、mono-Zn(II)型酵素濃度[E-Zn]と

di-Zn(II)型酵素濃度 [E-Zn

2

]

Eqs. 4-6

で示す。

[E] = [E]

T

1 + K

d1

[Zn] +

K

d1

K

d2

[Zn]

2

[E-Zn] = [E]

T

[Zn]/K

d2

1 + K

d1

[Zn] +

K

d1

K

d2

[Zn]

2

[E-Zn

2

] = [E]

T

[Zn]

2

/K

d1

K

d2

1 + K

d1

[Zn] +

K

d1

K

d2

[Zn]

2

Eq. 4

Eq. 5

Eq. 6

非線形最小二乗法を用いて

Eq. 9

の回帰曲線を当てはめたところ(Fig. 7)、実験値と理 論曲線が一致したことから、

di-Zn(II)

IMP-1(E-Zn

2

)

から

2

つの

Zn(II)

イオンが解離し

(27)

て、フリーの

IMP-1(E)になったため、 IMP-1

活性が不活性化されたと考えられる。こ れらのことから

E-Zn2

E-Zn

および

E

をそれぞれ検出することはできなかったが、

IMP-1

に結合した

2

つの

Zn(II)イオンが協同的に IMP-1

から解離したことが示唆され

た。それゆえに、本研究で得られた

K

dは、

Eq. 3

K

d2に対応すると考えられる。

また酸性領域で、

pH

に対する-log Kdのプロットの傾きが

4.0

であったことから、プ ロトンが解離できるアミノ酸残基が

Zn(II)

イオンと結合していることがわかった。も っともプロトン化されそうな残基は、

2

つの

Zn(II)イオンに配位している Zn1-OH

2

-Zn2、

pK

a

5.97

である

His

のイミダゾールの

pK

a

3.96

である

Asp

のカルボキシル基

Oδ1

または

Oδ2

が考えられる。IMP-1の活性中心には

4

つの

His

1

つの

Asp

Zn(II)

イオンリガンドとして含まれている。しかし遊離の

Asp

Oδ1

または

Oδ2

pK

a

3.96

5.3

より低いことから、

IMP-1

に結合した

Zn(II)イオンは、 His

のイミダゾー ルの

が、その

pK

aより低い

pH

でプロトン化されることで、酵素から放出されたと 考えられる。

過剰の

Zn(II)

イオン存在下、イミペネムの加水分解に対する

log k

catは、

Fig. 9

で示 すように、

pH

に依存した。

Good buffer

である

MOPS

MES

は、

Fitzgerald

らが

CcrA

で報告したように、これらの化合物が

IMP-1

でも阻害したことから活性に影響が出た ため使用しなかった27。log

k

catは、pHが下がるにつれて減少したが、pH 4

5

の間 の傾きは

0.6

であった。この触媒反応において、求核試薬は、

2

つの

Zn(II)

イオンに架 橋している

Zn1-OH

2

-Zn2

であると予想される。Fig. 9のプロットから、IMP-1の加水 分解機構に関与する官能基の

pK

a

5

より低いと考えられる。この架橋した水分子の

pK

aの値が低いことが

MBL

の特徴の

1

つである。

BcII

CcrA

の活性中心は、それぞ

Zn(II)

イオンをそれぞれ

1

つ、

2

つ含んでおり、

Zn1-OH

2または

Zn1-OH

2

-Zn2

の状 態をとっていると考えられている 12, 16, 53。Mono-Zn(II)酵素である

human carbonic

anhydrase II

Zn(II)

イオンに配位している

Zn-OH

2

pK

a

6.8

であり、酵素に結合し ていない遊離な

Zn-OH

2イオンの

pK

a

10

より低くなっている59。また

CcrA

では、

(28)

今回の研究と同様に

pH 5

から

9

の間で

pK

aをもつ官能基はないと報告されている22, 23 これらのことから、

Zn(II)

イオンに配位した

OH

2

pK

aは、

2

つの

Zn(II)

イオンが架橋 した

Zn1-OH

2

-Zn2

の脱プロトン化を助けることで、

mono-Zn(II)酵素より di-Zn(II)酵素

の方が低くなると考えられる。

4

節 小括

本章では、

MBL

である

IMP-1

の詳細な反応機構を理解するため、

IMP-1

からの

Zn(II)

イオン解離の

pH

依存性と活性の

pH

依存性について解析した。以下に得られた結果 を要約する。

(1) IMP-1

は酸性溶液中において、

Zn(II)

イオンが解離することで活性が消失するこ

とがわかった。

(2) IMP-1

からの

Zn(II)イオンの解離は pH

に依存しており、Zn(II)イオンの解離に関 係する官能基は

4

つあり、それらの

pK

a

5.3

であることがわかった。

(3) IMP-1

活性の

pH

依存性から、

pH 5

から

9

の間で

pK

aをもつ官能基は存在せず、

β-ラクタム環のカルボニル炭素を求核攻撃すると考えられている Zn1-OH

2

-Zn2

の架橋している水の

pK

a

5

以下であることがわかった。

以上の結果から、

IMP-1

において、

β-

ラクタム環を求核攻撃する

Zn1-OH

2

-Zn2

の架 橋している水の

pK

a

5

以下であることから、活性種は

Zn1-OH

-

-Zn2

の状態であるこ とがわかった。しかし、

CcrA

と同様の結果が得られたことから、

IMP-1

の詳細な反応 機構の解明にはさらなる検討が必要である。

Fig. 2.   The structure of integron mediated the gene encoded IMP family.
Fig. 3.      A) The overall structure of CcrA (PDB code, 1ZNB 12 ).    B) The active site of  CcrA
Fig. 4.      Proposed mechanism of nitrocefin hydrolysis by the mono-Zn(II) MBL (BcII)
Fig. 5.      Proposed mechanism of nitrocefin hydrolysis by the di-Zn(II) MBL (CcrA)
+7

参照

関連したドキュメント

The estimates are indicated by solid circles, the 95% confidence intervals by open triangles, the overall mean by the dash line, and the regression line using the square root of

Key words: Dunkl operators, Dunkl transform, Dunkl translation operators, Dunkl convolu- tion, Besov-Dunkl spaces.. Abstract: In this paper, we define subspaces of L p by

The only thing left to observe that (−) ∨ is a functor from the ordinary category of cartesian (respectively, cocartesian) fibrations to the ordinary category of cocartesian

Then, an algorithm is established as the way of transformation of so called associated matrices, formed as a result of local inspection of patterns, into invariant ones which

pole placement, condition number, perturbation theory, Jordan form, explicit formulas, Cauchy matrix, Vandermonde matrix, stabilization, feedback gain, distance to

Then it follows immediately from a suitable version of “Hensel’s Lemma” [cf., e.g., the argument of [4], Lemma 2.1] that S may be obtained, as the notation suggests, as the m A

Applications of msets in Logic Programming languages is found to over- come “computational inefficiency” inherent in otherwise situation, especially in solving a sweep of

Our method of proof can also be used to recover the rational homotopy of L K(2) S 0 as well as the chromatic splitting conjecture at primes p > 3 [16]; we only need to use the