非典型的な翻訳動態の多様性・普遍性と分子機構

• Project Area: Multifaceted Proteins: Expanding and Transformative Protein World
• Project/Area Number: 20H05925
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 田口 英樹 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (40272710)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 茶谷 悠平 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 准教授 (30794383)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥196,950,000 (Direct Cost: ¥151,500,000、Indirect Cost: ¥45,450,000); Fiscal Year 2024: ¥34,580,000 (Direct Cost: ¥26,600,000、Indirect Cost: ¥7,980,000); Fiscal Year 2023: ¥34,970,000 (Direct Cost: ¥26,900,000、Indirect Cost: ¥8,070,000); Fiscal Year 2022: ¥34,970,000 (Direct Cost: ¥26,900,000、Indirect Cost: ¥8,070,000); Fiscal Year 2021: ¥33,280,000 (Direct Cost: ¥25,600,000、Indirect Cost: ¥7,680,000); Fiscal Year 2020: ¥59,150,000 (Direct Cost: ¥45,500,000、Indirect Cost: ¥13,650,000)
• Keywords: リボソーム / タンパク質 / 非典型的な翻訳 / RAN翻訳 / 翻訳バイパス / プロテオミクス / 翻訳 / 新生ポリペプチド鎖

Outline of Research at the Start

本計画研究では、非典型的な翻訳の普遍性、分子機構、細胞内での動態、機能などを解析することで、マルチファセットなタンパク質の世界の一端を解明することを目的として以下の研究を実施する。研究１．新生鎖に依存したリボソーム不安定化の普遍性と分子機構。本年度は、翻訳途中終了の大腸菌での分子機構解析、真核生物への拡張とその分子機構を調べる。研究２．非典型的な翻訳から産まれるタンパク質の多様性。本年度は、大腸菌で見つかった翻訳バイパス現象の特徴付けを行う。研究３．非典型的な翻訳過程の分子機構。本年度は、非典型的な翻訳として塩基リピート病に関連した非ATG翻訳の再構成系や生細胞内での可視化技術を構築する。

Outline of Annual Research Achievements

2022（令和4）年度は以下のような研究を推進した。【研究1】私たちは負電荷に富んだ新生ポリペプチド鎖（新生鎖）に依存して翻訳の一部が途中で終了する現象（IRD）を2017年に大腸菌で明らかとした。この現象が広く真核生物でも保存されているのかを検討した結果、出芽酵母やヒトの培養細胞でもIRDが起こること、さらには、その分子機構の一端、プロテオームレベルでのIRDの影響について解析を行い、論文発表した（Ito Y et al Nat Commun 2022）。【研究2】非典型的な翻訳から産まれるタンパク質の多様性：非典型的な翻訳動態を考慮に入れると、細胞内で産み出されるタンパク質のレパートリーは増大する。非典型的な翻訳に由来するタンパク質がどのくらい存在するのか系統的に探索を試みた。2022年度は特に、私たちが見出したIRD現象に起因する翻訳バイパス現象を含めたフレームシフトによる新規タンパク質を調査した。翻訳バイパスとは、二つの不連続な遺伝子読み枠から1本のポリペプチド鎖が合成される非典型的な翻訳で、これまでにT4ファージのgp60でしか知られていなかったが、本研究により、大腸菌のゲノム内に翻訳バイパス現象を起こす遺伝子読み枠があることを見出した。また、バイパス現象の再構成も試みた。【研究3】非典型的な翻訳過程の分子機構：疾患に関わる非典型的な翻訳現象（塩基リピート病に関連した非ATG翻訳：RAN翻訳）の研究をスタートし、ヒト因子由来の翻訳再構成系でRAN翻訳を再現した。その結果、塩基リピートの長さ依存性に関して興味深い知見を得た。また、生細胞内でRAN翻訳を可視化するための実験系の準備を始めた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

負電荷に富んだ新生鎖に依存して翻訳が途中で終了するという新規の非典型的な翻訳現象は、私たちが2017年に大腸菌の研究から発見し、研究を進めている。2022年度は、大腸菌で見つけたIRDが真核生物でも起こること、さらには、プロテオームレベルでIRDが影響を及ぼしていることを見出した点は大きな成果であると考える。また、学術変革(A)の支援も受けて実施している質量分析を用いたプロテオミクス研究は、領域内外で多くの共同研究を行っており、多数の成果を得ている。これらにより「おおむね順調に進展している」とした。

Strategy for Future Research Activity

2023（令和5）年度より、これまでIRD研究を率いてきた茶谷が岡山大学で准教授（PI）となったので分担者に迎え、引き続きIRDならびに他の研究を推進する。【研究1：茶谷・田口】1-1）大腸菌でのIRDの分子機構解析：翻訳の不備とも言えるIRDがどのような分子機構で起こっているのか、再構成型翻訳系（PUREシステム）を駆使してIRDがどのように引き越されるのか、その仕組みやIRDが起こる際の立体構造解析の準備となる生化学解析を行う。1-2）IRD予測ツールの開発:負電荷に富んだアミノ酸配列でも周辺配列によってIRDの起こりやすさに違いがあることがわかっている。そこで、どのような配列だとIRDが起こるのかについて定量的な予測ができるように実験データを得て、予測アルゴリズムを開発する。1-3）真核生物のIRD：大腸菌で見つかったIRDが出芽酵母やヒトの培養細胞でも起こることを昨年度報告した（Ito Y et al Nat　Commun）。出芽酵母でのプロテオーム解析や遺伝学的な解析などを駆使して、IRDの生理的な意義を追究する。【研究2：田口・茶谷】従来のタンパク質データベースにないタンパク質を質量分析によって探索・同定する新規手法を開発する。具体的には、これまで見過ごされてきた小さなタンパク質を解析する新手法を確立する。【研究3：田口】疾患に関わる非典型的な翻訳過程の分子機構：塩基リピート病に関連した非ATG翻訳（RAN翻訳）をヒト因子由来の再構成型翻訳系や生細胞イメージングで調べる系を確立し、in vitro、in vivoの両面から、より詳細に分子機構を追究する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] コロラド州立大学(米国)
• [Int'l Joint Research] コロラド州立大学(米国)
• [Journal Article] Nascent peptide-induced translation discontinuation in eukaryotes impacts biased amino acid usage in proteomes (2022)
  • Author(s): Ito Yosuke、Chadani Yuhei、Niwa Tatsuya、Yamakawa Ayako、Machida Kodai、Imataka Hiroaki、Taguchi Hideki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 7451-7451
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35156-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Amyloid conformation-dependent disaggregation in a reconstituted yeast prion system (2022)
  • Author(s): Nakagawa Y, Shen HC, Komi Y, Sugiyama S, Kurinomaru T, Tomabechi Y, Krayukhina E, Okamoto K, Yokoyama T, Shirouzu M, Uchiyama S, Inaba M, Niwa T, Sako Y, Taguchi H, Tanaka M
  • Journal Title: Nat Chem Biol. Volume: 18 Issue: 3 Pages: 321-331
  • DOI: 10.1038/s41589-021-00951-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Intracellular photocatalytic-proximity labeling for profiling protein?protein interactions in microenvironments (2022)
  • Author(s): Tsushima Michihiko、Sato Shinichi、Miura Kazuki、Niwa Tatsuya、Taguchi Hideki、Nakamura Hiroyuki
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 58 Issue: 12 Pages: 1926-1929
  • DOI: 10.1039/d1cc05764b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Conversion of a PROTAC Mutant Huntingtin Degrader into Small-Molecule Hydrophobic Tags Focusing on Drug-like Properties (2022)
  • Author(s): Hirai Keigo、Yamashita Hiroko、Tomoshige Shusuke、Mishima Yugo、Niwa Tatsuya、Ohgane Kenji、Ishii Mayumi、Kanamitsu Kayoko、Ikemi Yui、Nakagawa Shinsaku、Taguchi Hideki、Sato Shinichi、Hashimoto Yuichi、Ishikawa Minoru
  • Journal Title: ACS Medicinal Chemistry Letters Volume: 13 Issue: 3 Pages: 396-402
  • DOI: 10.1021/acsmedchemlett.1c00500
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] BODIPY Catalyzes Proximity‐Dependent Histidine Labelling (2022)
  • Author(s): Nakane Keita、Niwa Tatsuya、Tsushima Michihiko、Tomoshige Shusuke、Taguchi Hideki、Nakamura Hiroyuki、Ishikawa Minoru、Sato Shinichi
  • Journal Title: ChemCatChem Volume: - Issue: 9
  • DOI: 10.1002/cctc.202200077
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Shotgun Proteomics Revealed Preferential Degradation of Misfolded In Vivo Obligate GroE Substrates by Lon Protease in Escherichia coli (2022)
  • Author(s): Niwa Tatsuya、Chadani Yuhei、Taguchi Hideki
  • Journal Title: Molecules Volume: 27 Issue: 12 Pages: 3772-3772
  • DOI: 10.3390/molecules27123772
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Application of fluorescence correlation spectroscopy to investigate the dynamics of a ribosome-associated trigger factor in Escherichia coli (2022)
  • Author(s): Niwa Tatsuya、Nakazawa Koki、Hoshi Kensuke、Tadakuma Hisashi、Ito Koichi、Taguchi Hideki
  • Journal Title: Frontiers in Molecular Biosciences Volume: 9 Pages: 891128-891128
  • DOI: 10.3389/fmolb.2022.891128
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Prophage excision switches the primary ribosome rescue pathway and rescue‐associated gene regulations in Escherichia coli (2022)
  • Author(s): Onodera Haruka、Niwa Tatsuya、Taguchi Hideki、Chadani Yuhei
  • Journal Title: Molecular Microbiology Volume: 119 Issue: 1 Pages: 44-58
  • DOI: 10.1111/mmi.15003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nascent polypeptide within the exit tunnel stabilizes the ribosome to counteract risky translation (2021)
  • Author(s): Chadani Yuhei、Sugata Nobuyuki、Niwa Tatsuya、Ito Yosuke、Iwasaki Shintaro、Taguchi Hideki
  • Journal Title: The EMBO Journal Volume: 40 Issue: 23 Pages: 1-13
  • DOI: 10.15252/embj.2021108299
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] C9orf72-derived arginine-rich poly-dipeptides impede phase modifiers (2021)
  • Author(s): Nanaura Hitoki、Aiba Yuichiro、Nakanishi Mari、Shiota Tomo、Hibino Masaki、Kikuchi Sotaro、Nagata Riko、Morikawa Naritaka、Iguchi Naohiko、Kiriyama Takao、Nagamori Shushi、Sugie Kazuma、Saio Tomohide、Yoshizawa Takuya、Mori Eiichiro et al.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 5301-5301
  • DOI: 10.1038/s41467-021-25560-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The evolutionary conserved iron-sulfur protein TCR controls P700 oxidation in photosystem I (2021)
  • Author(s): Luu Trinh Mai Duy、Miyazaki Daichi、Ono Sumire、Nomata Jiro、Kono Masaru、Mino Hiroyuki、Niwa Tatsuya、Okegawa Yuki、Motohashi Ken、Taguchi Hideki、Hisabori Toru、Masuda Shinji
  • Journal Title: iScience Volume: 24 Issue: 2 Pages: 102059-102059
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102059
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Novel self-regulation strategy of a small heat shock protein for prodigious and rapid expression on demand (2021)
  • Author(s): Miwa Tsukumi、Taguchi Hideki
  • Journal Title: Current Genetics Volume: 67 Issue: 5 Pages: 723-727
  • DOI: 10.1007/s00294-021-01185-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proximity Histidine Labeling by Umpolung Strategy Using Singlet Oxygen (2021)
  • Author(s): Nakane Keita、Sato Shinichi、Niwa Tatsuya、Tsushima Michihiko、Tomoshige Shusuke、Taguchi Hideki、Ishikawa Minoru、Nakamura Hiroyuki
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 143 Issue: 20 Pages: 7726-7731
  • DOI: 10.1021/jacs.1c01626
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Acetate overflow metabolism regulates a major metabolic shift after glucose depletion in <i>Escherichia</i> ? <i>coli</i> (2021)
  • Author(s): Shimada Tomohiro、Nakazawa Kohta、Tachikawa Tomoyuki、Saito Natsumi、Niwa Tatsuya、Taguchi Hideki、Tanaka Kan
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 595 Issue: 15 Pages: 2047-2056
  • DOI: 10.1002/1873-3468.14151
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thioredoxin pathway in Anabaena sp. PCC 7120: activity of NADPH-thioredoxin reductase C (2021)
  • Author(s): Deschoenmaeker Frederic、Mihara Shoko、Niwa Tatsuya、Taguchi Hideki、Wakabayashi Ken-Ichi、Toyoshima Masakazu、Shimizu Hiroshi、Hisabori Toru
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: － Issue: 6 Pages: 709-719
  • DOI: 10.1093/jb/mvab014
  • NAID: 40022687787
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] G-quadruple-proximity protein labeling based on peroxidase activity. (2020)
  • Author(s): Masuzawa, T., Sato, S., Niwa, T., Tagushi, H., Nakamura, H., Oyoshi, T.
  • Journal Title: Chem. Comm. Volume: 56 Issue: 78 Pages: 11641-11644
  • DOI: 10.1039/d0cc02571b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Escherichia coli small heat shock protein IbpA is an aggregation‐sensor that self‐regulates its own expression at posttranscriptional levels (2020)
  • Author(s): Miwa Tsukumi、Chadani Yuhei、Taguchi Hideki
  • Journal Title: Molecular Microbiology Volume: 115 Issue: 1 Pages: 142-156
  • DOI: 10.1111/mmi.14606
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nascent SecM chain interacts with outer ribosomal surface to stabilize translation arrest (2020)
  • Author(s): Mikihisa Muta, Ryo Iizuka, Tatsuya Niwa, Yuanfang Guo, Hideki Taguchi, Takashi Funatsu
  • Journal Title: Biochemical Journal Volume: 477 Issue: 2 Pages: 557-566
  • DOI: 10.1042/bcj20190723
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 翻訳停滞とリボソーム不安定化による非典型的翻訳の駆動と再構成 (2022)
  • Author(s): 茶谷悠平、田口英樹
  • Organizer: 第22回 日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] ”Elucidation of the Mechanism by Which sHSP lbpA Regulates Its Own Expression at the Transltional Level” (2022)
  • Author(s): Yajie, Cheng, 田口英樹
  • Organizer: 第22回 日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 遺伝情報を拡張、再定義する非典型的翻訳の再構成 (2022)
  • Author(s): 茶谷悠平、田口英樹
  • Organizer: 第18回大腸菌研究会
  • Invited
• [Presentation] Nascent peptide-induced translation discontinuation in eukaryotes impacts biased amino acid usage in proteomes (2022)
  • Author(s): 茶谷悠平、田口英樹
  • Organizer: 第23回日本RNA学会年会
  • Invited
• [Presentation] 負電荷アミノ酸クラスターの翻訳による確率的途上終結の分子メカニズム (2022)
  • Author(s): 茶谷悠平、田口英樹
  • Organizer: 第17回無細胞生命科学研究会
  • Invited
• [Presentation] 大腸菌低分子量熱ショックタンパク質IbpAによる凝集 (2022)
  • Author(s): 三輪つくみ、田口英樹
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Nascent polypeptide within the tunnel stabilizes the ribosome to counteract risky translation (2022)
  • Author(s): Yuhei Chadani
  • Organizer: Protein Folding on the Ribosome 2022
  • Invited
• [Presentation] 非典型的な翻訳動態によって拡大しうるタンパク質の世界 (2021)
  • Author(s): 田口英樹
  • Organizer: 第15回日本臨床ストレス応答学会シンポジウム
  • Invited