4D Dynamics and Assembly of Protein Translocation Systems

• Project Area: Autonomous biological systems of megadalton complexity
• Project/Area Number: 21H05155
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: Tsukazaki Tomoya 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80436716)
• Project Period (FY): 2021-08-23 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥33,150,000 (Direct Cost: ¥25,500,000、Indirect Cost: ¥7,650,000); Fiscal Year 2023: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000); Fiscal Year 2022: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2021: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000)
• Keywords: 膜タンパク質 / タンパク質

Outline of Research at the Start

学術変革領域「メガ生命深化動態」解析のモデルケースとして、バクテリアの内膜・外膜を舞台とするダイナミックなタンパク質輸送の基本原理の解明を目指します。本研究では関連するタンパク質の静的構造解析、動的構造解析などを統合し、タンパク質膜透過・膜組込み過程の分子機構の全貌を明らかとしていきます。将来的には、これらの解析方法を他の複雑な膜タンパク質解析系へと展開していきます。

Outline of Final Research Achievements

The dynamics of protein translocation across the membranes remain largely unknown. This study advanced the four-dimensional structural analysis of protein translocation across membranes. We prepared a single-unit protein translocation system using a nanodisc system and observed it by high-speed atomic force microscopy. We incorporated the latest AI technologies to analyze the images, revealing structural changes in the protein translocation motor during the protein translocation reaction.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

解析のモデルケースとしてバクテリアの内膜・外膜を舞台とするダイナミックなタンパク質輸送を研究材料に、その基本原理の解明を目指しました。タンパク質の膜透過・膜組み込み過程は、生物に必須の細胞内機構の一つです。バクテリアでは内膜にSecトランスロコン（SecYEG）を中心とした複合体が存在し、Secトランスロコンをハブとするタンパク質輸送を担っています。この機構の解明は当該学術分野の最重要課題であり、異分野融合による精緻な解析を進めました。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 復旦大学(中国)
• [Int'l Joint Research] 復旦大学(中国)
• [Int'l Joint Research] Bonn大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] 復旦大学(中国)
• [Int'l Joint Research] Bonn大学(ドイツ)
• [Journal Article] YeeD is an essential partner for YeeE-mediated thiosulfate uptake in bacteria and regulates thiosulfate ion decomposition (2024)
  • Author(s): Ikei Mai、Miyazaki Ryoji、Monden Keigo、Naito Yusuke、Takeuchi Azusa、Takahashi Yutaro S.、Tanaka Yoshiki、Murata Keina、Mori Takaharu、Ichikawa Muneyoshi、Tsukazaki Tomoya
  • Journal Title: PLOS Biology Volume: 22 Issue: 4 Pages: e3002601-e3002601
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3002601
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multistep conformational changes leading to the gate opening of light-driven sodium pump rhodopsin (2023)
  • Author(s): Sato Yukino、Hashimoto Tsubasa、Kato Koji、Okamura Akiko、Hasegawa Kaito、Shinone Tsukasa、Tanaka Yoshikazu、Tanaka Yoshiki、Tsukazaki Tomoya、Tsukamoto Takashi、Demura Makoto、Yao Min、Kikukawa Takashi
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 299 Issue: 12 Pages: 105393-105393
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2023.105393
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal structure of the lipid flippase MurJ in a “squeezed” form distinct from its inward- and outward-facing forms (2022)
  • Author(s): Kohga Hidetaka、Mori Takaharu、Tanaka Yoshiki、Yoshikaie Kunihito、Taniguchi Katsuhide、Fujimoto Kei、Fritz Lisa、Schneider Tanja、Tsukazaki Tomoya
  • Journal Title: Structure Volume: 30 Issue: 8 Pages: 1088-1097
  • DOI: 10.1016/j.str.2022.05.008
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Generation of stable microtubule superstructures by binding of peptide-fused tetrameric proteins to inside and outside (2022)
  • Author(s): Inaba Hiroshi、Sueki Yurina、Ichikawa Muneyoshi、Kabir Arif Md. Rashedul、Iwasaki Takashi、Shigematsu Hideki、Kakugo Akira、Sada Kazuki、Tsukazaki Tomoya、Matsuura Kazunori
  • Journal Title: Science Advances Volume: 8 Issue: 36
  • DOI: 10.1126/sciadv.abq3817
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Inner membrane YfgM-PpiD heterodimer acts as a functional unit that associates with the SecY/E/G translocon and promotes protein translocation (2022)
  • Author(s): Miyazaki Ryoji、Ai Mengting、Tanaka Natsuko、Suzuki Takehiro、Dhomae Naoshi、Tsukazaki Tomoya、Akiyama Yoshinori、Mori Hiroyuki
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 298 Issue: 11 Pages: 102572-102572
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102572
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal structures of a nicotine MATE transporter provide insight into its mechanism of substrate transport (2021)
  • Author(s): Tanaka Yoshiki、Iwaki Shigehiro、Sasaki Akira、Tsukazaki Tomoya
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 595 Issue: 14 Pages: 1902-1913
  • DOI: 10.1002/1873-3468.14136
  • NAID: 120007166836
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 大腸菌の細胞壁合成に必須な脂質フリッパーゼ MurJ を阻害する抗菌ペプチド LysM の生化学的解析 (2024)
  • Author(s): 甲賀栄貴、Napathip LERTPREEDAKORN、田中宏幸、宮﨑亮次、塚﨑智也
  • Organizer: 日本農芸化学会2024年度大会
• [Presentation] Critical residues of an antibiotic peptide, LysM, inhibiting lipid II flip (2023)
  • Author(s): Napathip Lertpreedakorn, Hidetaka Kohga Hidetaka, Ryoji Miyazaki, Tomoya Tsukazaki
  • Organizer: 2023 International Student Workshop University of California
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structure and function of a thiosulfate transport membrane protein (2023)
  • Author(s): 塚崎智也
  • Organizer: Nanion・東京女子医科大学イオンチャネルフォーラム 2023
  • Invited
• [Presentation] 細菌のタンパク質膜透過駆動因子SecDFの基質相互作用機構の解明 (2023)
  • Author(s): 高橋 諄、エン ユウ ケット、宮﨑亮次、塚﨑智也
  • Organizer: 第96回日本生化学会大会
• [Presentation] 内膜タンパク質PpiDはSecトランスロコンとDsbAを連結し、膜透過基質タンパク質へのジスルフィド結合導入を助ける (2023)
  • Author(s): 宮﨑亮次、鈴木健裕、堂前 直、塚﨑智也
  • Organizer: 第96回日本生化学会大会
• [Presentation] チオ硫酸イオントランスポーター複合体の構造と機能 (2023)
  • Author(s): 伊計舞、市川宗厳、門田啓吾、内藤雄介、竹内 梓、高橋祐太郎、田中良樹、竹田弘法、宮﨑亮次、塚﨑智也
  • Organizer: 第23回日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] チオ硫酸イオントランスポーター複合体の構造機能解析 (2023)
  • Author(s): 塚﨑智也、伊計舞、宮﨑亮次、門田啓吾、内藤雄介、竹内梓、髙橋祐太郎、田中良樹、市川宗厳
  • Organizer: 第19回 21世紀大腸菌研究会
• [Presentation] Structural and functional analysis of a thiosulfate ion transporter complex (2023)
  • Author(s): Mai Ikei, Ryoji Miyazaki, Keigo Monden, Azusa Takeuchi, Yusuke Naito, Yutaro S. Takahashi, Hironori Takeda, Yoshiki Tanaka, Muneyoshi Ichikawa, Tomoya Tsukazaki
  • Organizer: Gordon Research Conference: Mechanisms of Membrane Transport
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] チオ硫酸を取り込むYeeE-YeeD複合体の解析など進捗報告 (2023)
  • Author(s): 塚﨑智也
  • Organizer: 第4回構造生命科学研究会
  • Invited
• [Presentation] in vivo光架橋によるペリプラズムプロテアーゼBepAと外膜タンパク質組み込み装置BAM複合体の相互作用解析 (2023)
  • Author(s): 西建瑠、宮﨑亮次、塚﨑智也
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Single Polypeptide Detection Using a Translocon SecYEG (2023)
  • Author(s): Wenqing Xu, Ryoji Miyazaki, Ryo Iizuka, Tomoya Tsukazaki, Sotaro Uemura
  • Organizer: The 61st Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高速 AFM による Sec トランスロコンの 1 分子計測 (2023)
  • Author(s): Yui Kanaoka, Takaharu Mori, Tomoya Tsukazaki, Takayuki Uchihashi
  • Organizer: The 61st Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystal structures of a lipid flippase essential for peptidoglycan synthesis (2023)
  • Author(s): 甲賀栄貴, Napathip Lertpreedakorn, 田中良樹, 吉海江国仁, 谷口勝英, 藤本圭, Tanja Schneider, 塚﨑智也
  • Organizer: 第96回日本細菌学会総会
• [Presentation] Sec 複合体によるタンパク質膜透過の1ユニット動態観察 (2022)
  • Author(s): 塚崎智也、長池航、板家成良、春山隆充、菅野泰功、宮崎亮次、市川宗厳、内橋貴之
  • Organizer: 第22回日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] タンパク質膜透過・輸送に関わるPpiD/YfgM複合体のin vivo光架橋解析 (2022)
  • Author(s): 宮崎亮次、鈴木健裕、堂前直、塚崎智也
  • Organizer: 第22回日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] メガダルトン生命機能深化ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 塚崎智也
  • Organizer: BioneX 生命科学の変革 公開シンポジウム 2022
  • Invited
• [Presentation] Secの動的探査など進捗状況報告 (2022)
  • Author(s): 塚崎智也
  • Organizer: 第3回構造生命科学研究会
  • Invited
• [Presentation] Structural and functional analysis of a thiosulfate transporter complex (2022)
  • Author(s): Mai Ikei, Azusa Takeuchi, Yusuke Naito, Muneyoshi Ichikawa, Ryoji Miyazaki, Tomoya Tsukazaki
  • Organizer: The 22nd Annual Scientific Meeting of the Nitric Oxide Society of Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Generation of microtubule superstructures by mimicking ciliary microtubule structures (2022)
  • Author(s): Muneyoshi Ichikawa, Hiroshi Inaba, Yurina Sueki, Arif Md. Rashedul Kabir, Takashi Iwasaki, Hideki Shigematsu, Akira Kakugo, Kazuki Sada, Tomoya Tsukazaki, Kazunori Matsuura
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 脂質フリッパーゼMurJの新規中間体Squeezed formのX線結晶構造解析 (2022)
  • Author(s): 甲賀栄貴, 森貴治, 田中良樹, 吉海江国仁, 谷口勝英, 藤本圭, Lisa Fritz, Tanja Schneider, 塚﨑智也
  • Organizer: 第48回生体分子科学討論会
• [Presentation] in vivo光架橋法によるタンパク質膜透過関連因子PpiDの相互作用解析 (2022)
  • Author(s): 宮﨑亮次, 鈴木健裕, 堂前直, 塚﨑智也
  • Organizer: 第18回21世紀大腸菌研究会
• [Presentation] Crystal structure of YeeE, a membrane protein, engaged in thiosulfate uptake (2022)
  • Author(s): Tomoya Tsukazaki
  • Organizer: ABA, APPA, TBS Joint Congress 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高速AFMによるSecトランスロコンの1分子計測 (2022)
  • Author(s): 金岡優依, 森貴治, 塚﨑智也, 内橋貴之
  • Organizer: R4年度 生物物理学会中部支部 講演会
• [Presentation] タンパク質の膜透過に関わるプロトン駆動型モーターSecDFの構造生命科学 (2022)
  • Author(s): 塚崎智也
  • Organizer: 第95回日本細菌学会総会
  • Invited
• [Presentation] 高速AFMによるタンパク質膜透過装置Sec複合体の動的構造解析 (2021)
  • Author(s): 板家成良, 長池航, 春山隆充, 市川宗厳, 菅野泰功, 宮﨑 亮次, 内橋貴之, 塚崎智也
  • Organizer: 第17回21世紀大腸菌研究会
• [Remarks] 塚崎智也の業績一覧
  • URL: https://bsw3.naist.jp/tsukazaki/member_tsukazaki.html
• [Remarks] チオ硫酸取り込みに関わるYeeE/YeeD複合体の構造とチオ硫酸分解酵素YeeDの特殊な反応機構
  • URL: https://bsw3.naist.jp/research/index.php?id=2785