Molecular clutch between ATP and proton motors in ATP synthase

• Project/Area Number: 15K07013
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Functional biochemistry
• Research Institution: Rikkyo University
• Principal Investigator: KATO-YAMADA Yasuyuki 立教大学, 理学部, 教授 (80386507)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 生体エネルギー変換 / 共役 / 活性調節 / 脱共役 / ATP / プロトン輸送 / 酸化的リン酸化 / 律速 / アロステリック / 調節 / 架橋 / ヌクレオチド結合

Outline of Final Research Achievements

(1)It was shown that inter-subunit interactions within rotor components is altered under uncoupling state. (2)Recovery of the coupling by the inter-subunit cross-linking has not been observed so far. (3)It was shown that one third of the TFoF1 molecules may be incomplete.(4) A mutant epsilon subunit with higher affinity for ATP was obtained. (5) The physiological significance of the regulation of ATP synthase in Bacillus subtilis was clarified.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

いまだ不明な点の多い、ATP合成酵素の条件的脱共役状態について、さまざまな知見を得ることができた。更に研究を続け分子機構の解明へとつなげたい。
ATP合成酵素の活性調節機構は原核生物と真核生物では異なるため、抗生物質の作用点として注目されている。条件的脱共役も、εサブユニットが構造変化をするバクテリアATP合成酵素のみが持つ性質であると考えられることから、同様に全く新しい抗生物質の作用点として活用することも期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Korea Institute for Advanced Study(韓国)
• [Journal Article] ATP-binding affinity of the ε subunit of thermophilic F1-ATPase under label-free conditions (2020)
  • Author(s): Fujiwara Miria、Kato-Yamada Yasuyuki
  • Journal Title: Biochemistry and Biophysics Reports Volume: 21 Pages: 100725-100725
  • DOI: 10.1016/j.bbrep.2020.100725
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] C-terminal regulatory domain of the ε subunit of FoF1 ATP synthase enhances the ATP-dependent H+ pumping that is involved in the maintenance of cellular membrane potential in Bacillus subtilis (2019)
  • Author(s): Akanuma Genki、Tagana Tomoaki、Sawada Maho、Suzuki Shota、Shimada Tomohiro、Tanaka Kan、Kawamura Fujio、Kato-Yamada Yasuyuki
  • Journal Title: MicrobiologyOpen Volume: - Issue: 8
  • DOI: 10.1002/mbo3.815
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Essential Role of the ε Subunit for Reversible Chemo-Mechanical Coupling in F 1 -ATPase (2018)
  • Author(s): Watanabe Rikiya、Genda Makoto、Kato-Yamada Yasuyuki、Noji Hiroyuki
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 114 Issue: 1 Pages: 178-187
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2017.11.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The structural basis of a high affinity ATP binding ε subunit from a bacterial ATP synthase (2017)
  • Author(s): Krah Alexander、Kato-Yamada Yasuyuki、Takada Shoji
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 12 Issue: 5 Pages: e0177907-e0177907
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0177907
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High affinity nucleotide-binding mutant of the ε subunit of thermophilic F1-ATPase (2016)
  • Author(s): Yasuyuki Kato-Yamada
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 469 Issue: 4 Pages: 1129-1132
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2015.12.121
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Physiological Impact of the Regulation of FoF1-ATP Synthase by the epsilon Subunit in Bacillus subtilis (2019)
  • Author(s): Yasuyuki Kato-Yamada
  • Organizer: 2nd Tokyo ATPase Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Regulatory C-terminal domain of the ε subunit in FoF1 ATP synthase is important to maintain cellular membrane potential by activating ATP-dependent H+ pumping in Bacillus subtilis (2018)
  • Author(s): Yasuyuki Kato-Yamada, Genki Akanuma, Tomoaki Tagana, Maho Sawada, Shota Suzuki, Tomohiro Shimada, Kan Tanaka, Fujio Kawamura
  • Organizer: 20th European Bioenergetics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 最強のATP結合タンパク質の作製 (2017)
  • Author(s): 藤原美理亜、高田浩志、瀬沼美梨、山田康之
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会 第43回討論会
• [Presentation] 枯草菌FoF1-ATP合成酵素におけるDELSEED領域の機能解析 (2017)
  • Author(s): 関口敬俊、岡村歩美、高田浩志、赤沼元気、山田康之
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会 第43回討論会
• [Presentation] F1-ATPaseの制御因子としてのεサブユニッtのATP解離反応における役割 (2016)
  • Author(s): Makoto Genda, Rikiya Watanabe, Yasuyuki Yamada, Hiroyuki Noji
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
• [Presentation] 分子内架橋によるATP合成酵素の条件的脱共役状態の解析 (2016)
  • Author(s): 高田浩志、堀内由紀子、山田康之
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会 第42回討論会
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学（愛知県名古屋市）
• [Presentation] 枯草菌FoF1 ATP合成酵素のεサブユニットによる活性調節の生理的意義 (2016)
  • Author(s): 赤沼元気、澤田真帆、多賀名智昭、島田友裕、田中寛、河村富士夫、山田康之
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会 第42回討論会
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学（愛知県名古屋市）
• [Presentation] 最強のATP結合タンパク質の作製 (2016)
  • Author(s): 藤原美理亜、高田浩志、瀬沼美梨、山田康之
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会 第42回討論会
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学（愛知県名古屋市）
• [Presentation] F1-ATPase の ATP 結合過程におけるεサブユニットの役割の解明 (2015)
  • Author(s): 源田真、渡邉力也、山田康之、野地博行
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会 第41回討論会
  • Place of Presentation: 東京大学医学部（東京都文京区）
  • Year and Date: 2015-12-21
• [Presentation] F1-ATPase における ε サブユニットの活性制御因子としての役割 (2015)
  • Author(s): Makoto Genda, Rikiya Watanabe, Yasuyuki Yamada, Hiroyuki Noji
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Remarks] 立教大学理学部生命理学科山田研究室ホームページ
  • URL: https://www2.rikkyo.ac.jp/web/katoyama/
• [Remarks] 立教大学理学部生命理学科山田研究室ホームページ
  • URL: http://www2.rikkyo.ac.jp/web/katoyama/