過渡的な超分子複合体によるタンパク質膜透過・膜組み込み過程の解明

• Project/Area Number: 15J08235
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Functional biochemistry
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 古川 新 奈良先端科学技術大学院大学, バイオサイエンス研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000); Fiscal Year 2017: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2016: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: SecDF / Secトランスロコン / タンパク質膜透過 / X線結晶構造解析 / モータータンパク質 / SecYEG

Outline of Annual Research Achievements

今年度の実験計画に基づき、バクテリアタンパク質膜透過装置Sec膜タンパク質複合体の結晶構造を明らかにするための実験を進行させた。特に、プロトンの濃度勾配を利用しタンパク質膜透過を促進するSecDF複合体に注目して研究を進めた。
SecDF は膜貫通領域とペリプラズム側の可溶性ドメインである PI-head、 PI-head と膜貫通領域をつなぐP1-base及びP4から構成される。 SecDFは機能サイクルの中でP1-headが細胞膜に近づいた「F型」、P1-headが細胞膜から遠ざかった「I型」と呼ばれる 2つの異なるコンフォメーションを取るとされてきた。 F型、I型ではP1-baseとP4は6本のベータシートから構成される安定な構造体に見えていたが、機能解析の結果から、この構造が変化する可能性が示された。そこでこの部位の形状が異なる新規構造の解明を目指した。
これまでとは異なる結晶化条件においてSecDFの結晶を取得し、結果としてSecDFの新規構造を分解能2.8オングストロームで決定することができた。この構造は、 P1-head領域がF型よりも細胞膜に近づいた状態であったため、「超F型」と名付けた。超F型SecDFでは、 F型およびI型ではベータシートであったbase領域がベータバレルに組変わっていた。この構造変化のメカニズムを明らかとすべく、生化学的な実験を行った。その結果、超F型でのみ相互作用が確認された膜貫通領域の保存されたアルギニンとアスパラギン酸を置換すると、生体内で超F型構造を形成しなかった。この結果から、膜貫通領域の相互作用が細胞外領域の構造変化を制御する「リモートカップリング機構」が強く支持された。
これらの構造情報と機能解析の結果をまとめ、SecDFの連続した一連の構造変化が駆動するタンパク質膜透過現象の作業仮説を提唱し、論文として報告した。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Remote Coupled Drastic β-Barrel to β-Sheet Transition of the Protein Translocation Motor. (2018)
  • Author(s): Furukawa A, Nakayama S, Yoshikaie K, Tanaka Y, Tsukazaki T.
  • Journal Title: Structure Volume: 26 Issue: 3 Pages: 485-489
  • DOI: 10.1016/j.str.2018.01.002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tunnel Formation Inferred from the I-Form Structures of the Proton-Driven Protein Secretion Motor SecDF (2017)
  • Author(s): Arata Furukawa, Kunihito Yoshikaie, Takaharu Mori, Hiroyuki Mori, Yusuke V. Morimoto, Yasunori Sugano, Shigehiro Iwaki, Tohru Minamino, Yuji Sugita, Yoshiki Tanaka, Tomoya Tsukazaki
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 19 Issue: 5 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2017.04.030
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Tunnel formation inferred from the I form structures of the proton-driven protein secretion motor SecDF (2017)
  • Author(s): Furukawa A, Yoshikaie K, Mori T, Mori H, Morimoto YV, Sugano Y, Iwaki S, Minamino T, Sugita Y, Tanaka Y, Tsukazaki T
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 7.Crystal Structures of SecYEG in Lipidic Cubic Phase Elucidate a Precise Resting and a Peptide-Bound State (2015)
  • Author(s): Yoshiki Tanaka, Yasunori Sugano, Mizuki Takemoto, Takaharu Mori, Arata Furukawa, Tsukasa Kusakizako, Kaoru Kumazaki, Ayako Kashima, Ryuichiro Ishitani, Yuji Sugita, Osamu Nureki, Tomoya Tsukazaki
  • Journal Title: Cell report Volume: 13 Issue: 8 Pages: 1561-1568
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2015.10.025
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] タンパク質膜透過を駆動するプロトン駆動型モータータンパク質SecDFの驚くべき構造変化 (2018)
  • Author(s): 古川新、中山慎太郎、吉海江国仁、田中良樹、塚崎智也
  • Organizer: 生体運動合同班会議2018
• [Presentation] タンパク質膜透過を駆動するモータータンパク質のスナップショット (2017)
  • Author(s): 古川新、吉海江 国仁、森 貴治、森 博幸、森本 雄祐、菅野 泰功、岩木 薫大、南野 徹、杉田 有治、田中良樹、塚崎 智也
  • Organizer: 生体運動合同班会議2017
  • Place of Presentation: 兵庫県神戸市神戸国際会議場
  • Year and Date: 2017-01-06
• [Presentation] Cytoplasmic insights of the protein-conducting channel implied by crystal structures of SecYEG (2017)
  • Author(s): Furukawa A, Tanaka Y, Sugano Y, Takemoto M, Mori T, Kusakizako T, Kumazaki K, Kashima A, Ishitani R, Sugita Y, Nureki O, Tsukazaki T.
  • Organizer: UC davis retreat 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Snapshots of a protein translocation motor (2016)
  • Author(s): Furukawa A, Yoshikaie K, Mori T, Mori H, Morimoto YV, Sugano Y, Iwaki S, Minamino T, Sugita Y, Tanaka Y, Tsukazaki T
  • Organizer: The 54th annual meeting of the biophysical society of Japan
  • Place of Presentation: 茨城県つくば市つくば国際会議場
  • Year and Date: 2016-11-25
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cytoplasmic insights of the protein-conducting channel implied by crystal structures of SecYEG (2016)
  • Author(s): Furukawa A, Tanaka Y, Sugano Y, Takemoto M, Mori T, Kusakizako T, Kumazaki K, Kashima A, Ishitani R, Sugita Y, Nureki O, Tsukazaki T
  • Organizer: Zing conferences, protein secretion in bacteria conference
  • Place of Presentation: アメリカ合衆国フロリダ州タンパ
  • Year and Date: 2016-11-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structures of Membrane protein Insertase YidC (2015)
  • Author(s): Tsukazaki T Kumazaki K, Chiba S, Takemoto M, Furukawa A Kishimoto T, Sugano Y, Mori T, Tanaka, Y, Sugita Y, Ito K, Ishitani R, Nureki O
  • Organizer: Structural Biological Dynamics: From Molecules to Life with 60 trillion Cells
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都文京区)
  • Year and Date: 2015-11-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structure and dynamics of Sec protein-conducting channel (2015)
  • Author(s): Sugano Y, Tanaka Y, Takemoto M, Mori T, Haruyama T, Furukawa A, Kusakizako T, Kumazaki K, Kashima A, Ishitani R, Konno H, Sugita Y, Nureki O, Tsukazaki T
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学(石川県金沢市)
  • Year and Date: 2015-09-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 部位特異的光架橋によるYidC-Sec複合体の4次構造決定に向けて (2015)
  • Author(s): 古川新、田中良樹、塚崎智也
  • Organizer: 第12回21世紀大腸菌研究会
  • Place of Presentation: 琵琶湖グランドホテル(滋賀県大津市)
  • Year and Date: 2015-06-04