ＰＤＩファミリー酵素による酸化的フォールディング中間体の認識機構とその生理的意義

• Project/Area Number: 13J04030
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Structural biochemistry
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 奥村 正樹 東北大学, 多元物質科学研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2015: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2014: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2013: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000)
• Keywords: oxidative folding / PDI / SAXS / 高速AFM / 酸化的フォールディング / Ero1 / Prx4 / ジスルフィド結合 / X線小角散乱 / X線結晶構造 / フォールディング / 小胞体 / 結晶構造解析 / ERp46

Outline of Annual Research Achievements

小胞体には20種類以上ものPDIファミリータンパク質が存在し、それぞれが機能を分担することで小胞体中での酸化的フォールディングが効率よく進行すると考えられている。PDIは形や大きさ、ジスルフィド結合の本数が違う基質フォールディング中間体に働きかけることで、複数の基質に天然型ジスルフィド結合を導入することが知られるが、その分子認識における作用機序は明らかでない。そこで、PDIのX線小角散乱実験を行った結果、PDIの散乱プロファイルは結晶構造から見積もられた散乱プロファイルと一致せず、溶液構造は結晶構造と異なるドメイン配向をもつ可能性を示した。そこで高速AFMによるPDIの1分子動態解析を行った結果、酸化還元状態および基質の結合に依存したPDIの構造制御機構が明らかとなった。すなわち、酸化型のPDIは還元型に比べドメイン間の揺らぎが大きく、この揺らぎを利用してPDIが基質のフォールディングステージに応じて効率よく基質を捕獲し基質にジスルフィド結合を導入することが考えられる。興味深いことに数種のアンフォールド基質存在下において、PDIは基質のフォールディング状態を識別し、アンフォールド状態の基質が存在する時のみ二量体を形成することが本観測により初めて示された。これはPDIが単量体と二量体あるいはそれ以上の会合体の形成と解離を繰り返しており、PDI会合体が形成する空洞の疎水的かつジスルフィド交換反応性に富む環境において、効率的に多様な基質のフォールディングが促進されていると考える。動的光散乱から、変性基質存在下でPDIは二量体あるいはそれ以上の会合体を形成する一方、folded基質存在下でPDIは単量体であることから、PDIは基質のフォールディング状態をセンスし会合することがわかった。これは構造や機能が異なる複数の基質を認識するPDIの機能的役割と構造に関する全く新しい概念である。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Cysteines 208 and 241 in Ero1 are required for maximal catalytic turnover (2015)
  • Author(s): T. Ramming, S. Kanemura, M. Okumura, K. Inaba and C. Appenzeller-Herzog.
  • Journal Title: Redox Biology Volume: 7 Pages: 14-20
  • DOI: 10.1016/j.redox.2015.11.004
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structural Stability of Amyloid Fibrils Depends on the Existence of the Peripheral Sequence near the Core Cross-03B2 Region (2015)
  • Author(s): M. Saiki, K. Shiba, and M. Okumura.
  • Journal Title: FEBS Lett. Volume: 589 Issue: 23 Pages: 3541-3547
  • DOI: 10.1016/j.febslet.2015.10.015
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A PDI-catalyzed thiol/disulfide switch regulates the production of hydrogen peroxide by human Ero1 (2015)
  • Author(s): T. Ramming, M. Okumura, S. Kanemura, S. Baday, J. Birk, S. Moes, P. Jenö, S. Bernèche, K. Inaba and C. Appenzeller-Herzog.
  • Journal Title: Free Radic Biol Med. Volume: 83 Pages: 361-372
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2015.02.011
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] One-dimensional sliding of p53 along DNA is accelerated in the presence of Ca(2+) or Mg(2+) at millimolar concentrations (2015)
  • Author(s): Murata A, Ito Y, Kashima R, Kanbayashi S, Nanatani K, Igarashi C, Okumura M, Inaba K, Tokino T, Takahashi S, Kamagata K
  • Journal Title: JOURNAL OF MOLECULAR BIOLOGY Volume: 427 Issue: 16 Pages: 2663-2678
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2015.06.016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structures and functions of protein disulfide isomerase family members involved in proteostasis in the endoplasmic reticulum. (2015)
  • Author(s): Okumura M, Kadokura H, Inaba K.
  • Journal Title: Free Radic Biol Med. Volume: 83 Pages: 314-322
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2015.02.010
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Radically different thioredoxin domain arrangement of ERp46, an efficient disulfi de-bond introducer of the mammalian PDI family (2014)
  • Author(s): Kojima, R., Okumura, M., Masui. S., et al.
  • Journal Title: Structure Volume: 22 Issue: 3 Pages: 431-443
  • DOI: 10.1016/j.str.2013.12.013
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Inhibition of the functional interplay between ER oxidoreduclin-1 a (Ero1a) and protein disulfide isomerase (PDI) by the endocrine disruptor (2014)
  • Author(s): Okumura M, Kadokura H, Hashimoto S, Yutani K, Kanemura S, Hikima T, Hidaka Y, Ito L, Shiba K, Masui S, Imai D, Imaoka S, Yamaguchi H, Inaba K
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: ２６ Issue: 39 Pages: 27004-27018
  • DOI: 10.1074/jbc.m114.564104
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Disulfide-mediated Peptide and Protein Folding (2014)
  • Author(s): Okumura, M., Shimamoto, S., and Hidaka, Y.
  • Journal Title: Current Protocols in Protein Science Volume: 76 Issue: 1
  • DOI: 10.1002/0471140864.ps2807s76
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chemical methods and approaches to the regioselective formation of multiple disulfide bonds (2014)
  • Author(s): Okumura, M
  • Journal Title: Current Protocols in Protein Science Volume: 76 Issue: SUPPL.76
  • DOI: 10.1002/0471140864.ps2808s76
  • URL: https://pure.teikyo.jp/en/publications/cb1cbd4d-71d4-49f8-9310-fb85a90ebcbd
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A pH-Dependent Conformational Change in a Soluble Extracellular Dom ain of Amyloid Precursor Protein (2014)
  • Author(s): Okumura, M
  • Journal Title: Peptide Science Pages: 337-338
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Folding of de novo Peptide Regulated by Intra-molecular Chaperones (2014)
  • Author(s): Okumura, M
  • Journal Title: Peptide Science Pages: 219-220
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synergistic cooperation of PDI family member proteins in peroxiredoxin 4-driven oxidative protein folding (2013)
  • Author(s): Sato, Y. ^t Kojima, R., Okumura, M., Hagiwara, M., Masui. S., et al.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 3 Issue: 1 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1038/srep02456
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bisphenol A induces a conformational change in protein disulfide isomerase (2013)
  • Author(s): Okumura, M
  • Journal Title: Peptide Science Pages: 331-332
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis of disulfide bond formation in the bacterial periplasm and ER (2013)
  • Author(s): Okumura, M
  • Journal Title: Encyclopedia of Life Science Pages: 1-11
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高速AFMが明らかにしたPDIによる基質の酸化的フォールディング触媒機構の解明 (2015)
  • Author(s): 奥村 正樹、野井 健太郎、金村 進吾、秋山 修志、小椋 光、稲葉 謙次
  • Organizer: 第38回 分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場(神戸市)
  • Year and Date: 2015-12-04
• [Presentation] 小胞体におけるタンパク質の品質管理；酵素による基質触媒反応を活写する (2015)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 関西学院大学、理工学部講演
  • Place of Presentation: 関西学院大学(三田市)
  • Year and Date: 2015-11-30
  • Invited
• [Presentation] 小胞体におけるタンパク質の品質管理 (2015)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 東海大学
  • Place of Presentation: 東海大学湘南キャンパス(平塚市)
  • Year and Date: 2015-11-17
  • Invited
• [Presentation] Real-time monitoring of PDI-catalyzed oxidative protein folding by high-speed atomic force microscopy (2015)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 第53回 生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学(金沢)
  • Year and Date: 2015-09-14
  • Invited
• [Presentation] Real-time monitoring of PDI-catalyzed oxidative protein folding by high-speed atomic force microscopy. (2015)
  • Author(s): M. Okumura, K. Noi, S. Kanemura, S. Masui, T. Hikima, S. Akiyama, T. Ogura, and K. Inaba.
  • Organizer: ER&Redox Club Meeting
  • Place of Presentation: Venice, Italy
  • Year and Date: 2015-04-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 新生ポリペプチドの酸化的フォールディング (2015)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 「新生鎖の生物学」第一回若手ワークショップ
  • Place of Presentation: 八王子セミナーハウス
  • Year and Date: 2015-03-08 – 2015-03-10
• [Presentation] 高速AFMが明らかにするProtein Disulfide Isomeraseの新しい作用機序 (2015)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 第249回熊本大発生研セミナー
  • Place of Presentation: 熊本大学
  • Year and Date: 2015-02-09
  • Invited
• [Presentation] 高速原子間力顕微鏡を用いたPDIファミリータンパク質の酸化還元状態に依存した動的構造解析 (2014)
  • Author(s): 奥村 正樹、野井 健太郎、金村 進吾、増井 翔史、小椋 光、稲葉 謙次
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-27
• [Presentation] 内分泌撹乱物質によるEro1-PDI経路の阻害機構 (2014)
  • Author(s): 奥村 正樹、橋本 翔子、油谷 克英、金村 進吾、引間 孝明、門倉 広、今岡 進、山口 宏、稲葉 謙次
  • Organizer: 日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2014-06-25 – 2014-06-27
• [Presentation] Structural basis for selective disulfide transfer from Prx4 to PDI family proteins. (2014)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: The 10th G-COE international symposium and 7th young investigators forum
  • Place of Presentation: Singapore, Singapore
  • Year and Date: 2014-03-04
• [Presentation] Structural basis of disulfide bond formation in the mammalian ER (2014)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 231st IMEG seminars & Minisymposium Recent advances and future directions in high-speed AFM imaging of ATP/GTP-driven molecular machinery
  • Place of Presentation: 熊本
  • Year and Date: 2014-02-20
  • Invited
• [Presentation] Positively charged redox agents accelerate disulfide coupled protein folding (2014)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: アメリカ生物物理学会
  • Place of Presentation: California, USA
  • Year and Date: 2014-02-16
• [Presentation] Regulation of Disulfide-Coupled Folding of de novo Designed Precurs or Protein (2014)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: アメリカ生物物理学会
  • Place of Presentation: California, USA
  • Year and Date: 2014-02-16
• [Presentation] SOLUTION STRUCTURAL STUDIES OF SOLUBLE EXTRACELL ULAR DOMAIN OF AMYLOID PRECURSOR PROTEIN (2013)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: The 12th Meeting of the Asian Crystallographic Association
  • Place of Presentation: 香港、中国
  • Year and Date: 2013-12-08
• [Presentation] A radically different thioredoxin domain arrangement explains the efficient catalysis of disulfide-bond introduction by the PDI family member, ERp46 (2013)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 第36回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2013-12-04
• [Presentation] Regulation of Disulfide-Coupled Protein Folding by A Positively Chareed Redox Agent (2013)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: ペプチド討論会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2013-11-07
• [Presentation] Regulation of Disulfide-Coupled Folding of de novo Designed Precurs or Protein (2013)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: ペプチド討論会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2013-11-07
• [Presentation] アミロイド前駆体タンパク質細胞外領域sAPPαの溶液構造"日本結晶学会 (2013)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 日本結晶学会
  • Place of Presentation: 熊本
  • Year and Date: 2013-10-12
• [Presentation] プロテオスタシス : 細胞内タンパク質の恒常性 (2013)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 細胞生物学会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2013-06-20
  • Invited
• [Presentation] PDI酸化酵素Prx4とPDIファミリータンパク質ERp46による新たなジスルフィド結合導入経路の構造基盤 (2013)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 鳥取
  • Year and Date: 2013-06-14
• [Presentation] 正電荷を有する酸化還元試薬によるジスルフィド結合含有蛋白質の立体構造形成反応の制御 (2013)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 鳥取
  • Year and Date: 2013-06-13
  • Invited
• [Presentation] 分子内シャペロンの生理活性ペプチドのデザインへの応用と立体構造制御機構の解明 (2013)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 鳥取
  • Year and Date: 2013-06-12
• [Presentation] アミロイド前駆体タンパク質の可溶性細胞外領域sAPPαのpH依存的構造変化 (2013)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 鳥取
  • Year and Date: 2013-06-12
• [Presentation] Solution Structural Studies of Soluble Extracellular Domain of Amyloid Precursor Protein (2013)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: 4th International Symposium on Diffraction Struc tural Biology
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2013-05-27
• [Presentation] Structural basis of the newly identified disulfide-introducing pathway composed of Prx4 and ERp46. (2013)
  • Author(s): 奥村 正樹
  • Organizer: NIH-Tohoku university-JSPS Symposium
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2013-05-10
• [Book] 生物物理 (2015)
  • Author(s): 奥村 正樹、金村 進吾、稲葉 謙次
  • Total Pages: 3
  • Publisher: ERp46とPDIの異なる構造と機能的役割
• [Book] ERp46とPDIの異なる構造と機能的役割 (2015)
  • Author(s): 奥村 正樹、金村 進吾、稲葉 謙次
  • Publisher: 生物物理
• [Book] 哺乳動物細胞の小胞体におけるジスルフィド結合形成ネットワークの構造基盤 (2014)
  • Author(s): 奥村 正樹、稲葉 謙次
  • Publisher: 実験医学、羊土社
• [Book] 実験医学 (2014)
  • Author(s): 奥村正樹、稲葉謙次
  • Publisher: 羊土社(印刷中)
• [Remarks] http://www.tagen.tohoku.ac.jp/labo/inaba/