細菌べん毛モーターの回転力産生のための構造的基盤の解明

• Project/Area Number: 16J01859
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 竹川 宜宏 大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 細菌べん毛 / べん毛モーター / 回転子 / ストマチン / べん毛 / 固定子 / メカノセンサー / モーター

Outline of Annual Research Achievements

超好熱性細菌Aquifex arolicus由来のべん毛モーター回転子蛋白質FliFのペリプラズム側領域フラグメント（FliF(58-213)）の構造をX線結晶構造解析により2.3オングストローム分解能で決定し、III型ニードル複合体蛋白質との類似性や精製されたFliFのリング状複合体（MSリング）のクライオ電子顕微鏡構造を参照することで、2つの異なる回転対称性を持った二重のリングからなるFliF構造モデルを提唱した。特にβ4とβ5の間のi-loopがべん毛輸送ゲート蛋白質と直接的に相互作用する部位であることが示唆された。これらを元に膜貫通領域を含めたFliF全長からなるMSリング全体構造と、それを足場として集合するその他の蛋白質を含めた分子構造モデルを構築した。
べん毛モーターの高出力回転に必要な構成蛋白質FliLに着目し、海洋性細菌Vibrio alginolyticus由来のFliLのペリプラズム側領域の構造をX線結晶構造解析により2.1オングストローム分解能で決定した。構造およびそれを元にした変異体解析から、FliLが固定子を取り囲むように複合体を形成し、FliLリングの内側の疎水性残基によって固定子の活性化が引き起こされることが示唆された。FliLはこれまで見つかっていなかった新規ストマチン様蛋白質（SPFHファミリー蛋白質）であり、機械刺激などの外環境からのシグナルに依存して固定子イオンチャネル活性が制御される可能性が考えられた。
同菌のべん毛数制御に関与する蛋白質HubPのC末端ドメインフラグメントをX線結晶構造解析により2.5オングストローム分解能で構造決定した。当ドメインはTPRモチーフを内包し、特異的な表面電荷分布を有し、これがHubP特異的な機能において重要である可能性が考えられる。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Yale University(米国)
• [Journal Article] Structure of Vibrio FliL, a New Stomatin-like Protein That Assists the Bacterial Flagellar Motor Function (2019)
  • Author(s): Norihiro Takekawa, Miyu Isumi, Hiroyuki Terashima, Shiwei Zhu, Yuuki Nishino, Mayuko Sakuma, Seiji Kojima, Michio Homma, Katsumi Imada
  • Journal Title: mBio Volume: 10(2) Issue: 2
  • DOI: 10.1128/mbio.00292-19
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The role of conserved charged residues in the bidirectional rotation of the bacterial flagellar motor (2018)
  • Author(s): Yasuhiro Onoue, Norihiro Takekawa, Tatsuro Nishikino, Seiji Kojima, Michio Homma
  • Journal Title: Microbiologyopen Volume: 24 Issue: 4
  • DOI: 10.1002/mbo3.587
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Localization and domain characterization of the SflA regulator of flagellar formation in Vibrio alginolyticus. (2017)
  • Author(s): Inaba S, Nishigaki T, Takekawa N, Kojima S, Homma M.
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 7 Issue: 7 Pages: 619-629
  • DOI: 10.1111/gtc.12501
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mutational analysis and overproduction effects of MotX, an essential component for motor function of Na+-driven polar flagella of Vibrio (2017)
  • Author(s): Takekawa N, Kojima S, and Homma M
  • Journal Title: J. Biochem. Volume: 161 (2) Pages: 159-166
  • DOI: 10.1093/jb/mvw061
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Serine suppresses the motor function of a periplasmic PomB mutation in the Vibrio flagella stator. (2016)
  • Author(s): Tatsuro Nishikino, Shiwei Zhu, Norihiro Takekawa, Seiji Kojima, Yasuhiro Onoue, Michio Homma
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 印刷中 Issue: 5 Pages: 505-516
  • DOI: 10.1111/gtc.12357
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The tetrameric MotA complex as the core of the flagellar motor stator from hyperthermophilic bacterium (2016)
  • Author(s): Takekawa N, Terahara N, Kato T, Gohara M, Mayanagi K, Hijikata A, Onoue Y, Kojima S, Shirai T, Namba K, Homma M
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 6 Issue: 1 Pages: 31526-31526
  • DOI: 10.1038/srep31526
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] HubP, a polar landmark protein, regulates flagellar number by assisting in the proper polar localization of FlhG in Vibrio alginolyticus. (2016)
  • Author(s): Takekawa N, Kwon S, Nishioka N, Kojima S, Homma M.
  • Journal Title: J Bacteriol. Volume: 198(22) Issue: 22 Pages: 3091-3098
  • DOI: 10.1128/jb.00462-16
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 細菌べん毛モーター内の蛋白質リング状複合体MSリングの構造モデル (2019)
  • Author(s): 竹川宜宏、川本晃大、佐久間麻由子、加藤貴之、小嶋誠司、難波啓一、本間道夫、今田勝巳
  • Organizer: 第6回生命分子科学研究会
• [Presentation] べん毛MSリングの構造モデル (2019)
  • Author(s): 竹川宜宏、川本晃大、佐久間麻由子、加藤貴之、小嶋誠司、難波啓一、本間道夫、今田勝巳
  • Organizer: 2018年度べん毛研究交流会
• [Presentation] Similarity between the bacterial flagellum and the type III injectisome revealed by the X-ray crystal structure of FliF fragment (2018)
  • Author(s): Norihiro Takekawa, Mayuko Sakuma, Seiji Kojima, Michio Homma, Katsumi Imada
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 細菌べん毛モーターMSリングとIII型ニードル複合体との構造類似性 (2018)
  • Author(s): 竹川宜宏、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • Organizer: 第91回日本生化学会大会
• [Presentation] 細菌べん毛モーター回転の高粘性応答を補助するストマチン様タンパク質FliLの構造・機能解析 (2018)
  • Author(s): 竹川宜宏、伊角実優、朱世偉、佐久間麻由子、寺島浩行、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会第44回討論会
• [Presentation] 細菌べん毛モーター機能を補助するタンパク質FliLのX線結晶構造解析 (2018)
  • Author(s): 竹川宜宏、伊角実優、朱世偉、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • Organizer: 第5回生命分子科学研究会
• [Presentation] べん毛モーター固定子付随タンパク質FliLのリング構造 (2018)
  • Author(s): 竹川宜宏、伊角実優、朱世偉、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • Organizer: 2017年度べん毛研究交流会
• [Presentation] べん毛モーターMSリングの内側部位を形成するFliF断片の構造解析 (2017)
  • Author(s): 竹川宜宏、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • Organizer: 第14回21世紀大腸菌研究会
• [Presentation] Structure of a periplasmic fragment of FliL, a bacterial flagellar stator associated protein from Vibrio alginolyticus (2017)
  • Author(s): 竹川宜宏、伊角実優、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会年会
• [Presentation] FliLは細菌べん毛モーター固定子を制御するメカノセンサーか？ (2017)
  • Author(s): 竹川宜宏、伊角実優、朱世偉、西野優紀、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] べん毛モーター固定子を取り巻くタンパク質FliLの構造・機能解析 (2017)
  • Author(s): 竹川宜宏、伊角実優、朱世偉、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会第43回討論会
• [Presentation] X-ray Crystal Structure Analysis of a Periplasmic Fragment of FIiF, a MS-ring Component of the Bacterial Flagellar Motor (2017)
  • Author(s): Norihiro Takekawa, Mayuko Sakuma, Seiji Kojima, Michio Homma, Katsumi Imada
  • Organizer: Bacterial Flagella, Injectisomes and Type III Secretion Systems
  • Place of Presentation: 沖縄科学技術大学院大学（沖縄県国頭郡恩納村）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 細菌べん毛モーター固定子タンパク質MotAと回転子タンパク質FliFの構造解析に向けた条件検討 (2016)
  • Author(s): 竹川宜宏、佐久間麻由子、山口絵里花、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • Organizer: 第89回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県仙台市）
• [Presentation] Screening for the structural analysis of the stator and the rotor proteins MotA and FliF in the bacterial flagellar motor (2016)
  • Author(s): 竹川宜宏、佐久間麻由子、山口絵里花、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • 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）
• [Remarks] 世界初！生物モーターのパワーアップアイテム 細菌べん毛モーターの出力強化蛋白質FliLのしくみを解明
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2019/20190320_2
• [Remarks] 第29回論文紹介 名古屋大学大学院理学研究科 生命理学専攻・理学部 生命理学科
  • URL: http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/paper/2017-29/12.html
• [Remarks] 第30回論文紹介 名古屋大学大学院理学研究科 生命理学専攻・理学部 生命理学科
  • URL: http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/paper/2017-30/16.html
• [Remarks] ビブリオ菌べん毛固定子タンパク質PomBのペリプラズム領域変異が起こすモーター機能障害のセ（以下略）
  • URL: http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/paper/2016-27/18.html
• [Remarks] べん毛モーター固定子の中核をなす超好熱菌由来四量体MotA複合体
  • URL: http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/paper/2016-28/08.html
• [Remarks] ビブリオ菌Na+駆動型べん毛モーター構成因子MotXの変異体解析および大量発現による影響
  • URL: http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/paper/2016-28/09.html
• [Remarks] Ｆ1エンジンに匹敵する回転数をもつ「べん毛モーター」のMotA分子の構造を解明
  • URL: http://www.nagoya-u.ac.jp/about-nu/public-relations/researchinfo/upload_images/20160817_sci.pdf