Ultra-High Resolution Protein Analysis Using a Chemical Labeling Method

• Project/Area Number: 17H03090
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Bio-related chemistry
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: Ojida Akio 九州大学, 薬学研究院, 教授 (10343328)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2019: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2018: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2017: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 蛋白質 / 電子顕微鏡 / ケミカルラベル化 / ペプチドデザイン / 脳神経科学 / ケミカルバイオロジー / イメージング / ケミカルバイロジー

Outline of Final Research Achievements

In this research, we have developed the chemical protein labeling method (reactive tag method ) and applied it to detect proteins in a single molecular level using electron microscopy (EM). We have successfully developed the two reactive tag methods; one is specific for labeling of the aspartate-rich peptide tag and another is specific for labeling for histidine-rich peptide tag. We have also demonstrated that our reactive tag method is applicable to the high resolution EM detection of cell-membrane receptors through labeling with gold nano particles. This is the first example of single molecular level protein detection by EM using chemical labeling method.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

電子顕微鏡はタンパク質を一分子レベルで解析できる優れた手法である。これまでタンパク質の電子顕微鏡解析には抗体を用いた免疫電顕法が主に用いられてきたが、この手法は検出するタンパク質の正確な位置情報が得られないことやタンパク質複合体に適用できないなどの問題がある。本研究では、申請書の開発する小分子を用いたケミカルラベル化法が電子顕微鏡によるタンパク質解析に応用できることを世界で初めて証明した。今後、本成果を活用することで免疫電顕法の持つ上記の問題点を解決し、電子顕微鏡によるタンパク質の機能解析がさらに発展すると期待できる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] IST Austria(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] IST Austria(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] Institute of Science and Technology(オーストリア)
• [Journal Article] ペプチドデザインによるタンパク質１分子レベルの電子顕微鏡解析 (2020)
  • Author(s): 王子田 彰夫
  • Journal Title: Peptide Newsletter Japan Volume: 116 Pages: 1-4
• [Journal Article] Electron Microscopic Detection of Single Membrane Proteins by a Specific Chemical Labeling (2019)
  • Author(s): Tabata Shigekazu、Jevtic Marijo、Kurashige Nobutaka、Fuchida Hirokazu、Kido Munetsugu、Tani Kazushi、Zenmyo Naoki、Uchinomiya Shohei、Harada Harumi、Itakura Makoto、Hamachi Itaru、Shigemoto Ryuichi、Ojida Akio
  • Journal Title: iScience Volume: 22 Pages: 256-268
  • DOI: 10.1016/j.isci.2019.11.025
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optimized Reaction Pair of the CysHis Tag and Ni(II)-NTA Probe for Highly Selective Chemical Labeling of Membrane Proteins (2019)
  • Author(s): N. Zenmyo, H. Tokumaru, S. Uchinomiya, H. Fuchida, S. Tabata, I. Hamachi, R. Shigemoto, A. Ojida
  • Journal Title: Bull. Chem. Soc. Jpn. Volume: 92 Issue: 5 Pages: 995-1000
  • DOI: 10.1246/bcsj.20190034
  • NAID: 130007649762
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Discovery of highly reactive peptide tag by ELISA-type screening for specific cysteine conjugation (2017)
  • Author(s): N. Kurashige, H. Fuchida, S. Tabata, S. Uchinomiya, A. Ojida
  • Journal Title: Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters Volume: 27 Issue: 15 Pages: 3486-3489
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2017.05.069
  • Peer Reviewed
• [Presentation] TEMイメージングを目指したリアクティブタグシステムの開発 (2019)
  • Author(s): 善明直輝、得丸祥貴、田畑栄一、内之宮祥平、重本隆一、王子田彰夫
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会第14回年会
• [Presentation] 高選択的Cys-Hisタグケミカルラベリングの最適化とイメージング応用 (2019)
  • Author(s): 善明直輝, 得丸祥貴, 内之宮祥平, 田畑栄一, 王子田彰夫
  • Organizer: 生体機能関連化学部会若手の会 第３１回サマースクール
• [Presentation] タンパク質高解像度解析のためのHis-tagケミカルラベル化法の開発 (2019)
  • Author(s): 得丸祥貴, 善明直輝, 内之宮祥平, 王子田彰夫
  • Organizer: 第56回化学関連支部合同九州大会
• [Presentation] タンパク質電子顕微鏡イメージングへの適応を目指したHis-tag高選択的ケミカルラベル化法の開発 (2019)
  • Author(s): 得丸祥貴, 善明直輝, 内之宮祥平, 王子田彰夫
  • Organizer: 第36回日本薬学会九州支部大会
• [Presentation] TEMイメージングへの応用を目指したHisタグケミカルラベリング法の最適化 (2019)
  • Author(s): 善明直輝・得丸祥貴・田畑栄一・内之宮祥平・王子田彰夫
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会
• [Presentation] Aspリッチ-タグを用いたタンパク質ケミカルラベリングの電子顕微鏡イメージングへの応用 (2018)
  • Author(s): 倉重伸崇, 田畑栄一, Marijo Jevitic, 城戸宗継, 内之宮祥平, 重本隆一, 王子田彰夫
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会第13回年会
• [Presentation] TEMイメージングのためのHisタグ選択的高反応性プローブの開発 (2018)
  • Author(s): 善明直輝，渕田大和，田畑栄一，内之宮祥平, 王子田彰夫
  • Organizer: 生体機能関連化学部会若手の会 第30回サマースクール
• [Presentation] タンパク質システインを標的とするケミカルバイオロジー：イメージングとコバレントドラッグ開発への応用 (2018)
  • Author(s): 王子田彰夫
  • Organizer: 第16回レドックス・ライフイノベーションシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] TEMイメージング応用を指向したHisタグ導入タンパク質の選択的化学ラベリング (2018)
  • Author(s): 善明直輝，渕田大和，倉重伸崇，田畑栄一，内之宮祥平，王子田彰夫
  • Organizer: 第12回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] 電子顕微鏡によるAspリッチタグ導入タンパク質の高解像度可視化 (2018)
  • Author(s): 倉重伸崇，田畑栄一，Jevitic Marijo, 城戸宗継，内之宮祥平，重本隆一，王子田彰夫
  • Organizer: 第12回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] Development of Peptide-tag/Probe Pair for Selective Protein Conjugation and Its Application to Fluorescence Bioimaging (2018)
  • Author(s): Nobutaka Kurashige, Hirokazu Fuchida, Shigekazu Tabata, Shohei Uchinomiya, Akio Ojida
  • Organizer: IRCCS-JST CREST Joint Symposium
• [Presentation] ペプチドタグ/ プローブペアを用いたタンパク質ケミカルラベリング (1): Asp リッチ－タグシステムの電子顕微鏡イメージングへの応用 (2018)
  • Author(s): 田畑栄一, Jevtic Marijo, 城戸宗継, 渕田大和, 浜地 格, 重本隆一, 王子田彰夫
  • Organizer: 日本化学会第98春季年会
• [Presentation] ペプチドタグ/ プローブペアを用いたタンパク質ケミカルラベリング (2): 高反応性Aspリッチ－タグの探索とそのバイオイメージング応用 (2018)
  • Author(s): 倉重伸崇, 渕田大和, 田畑栄一, 内之宮祥平, 王子田彰夫
  • Organizer: 日本化学会第98春季年会
• [Presentation] ペプチドタグ/ プローブペアを用いたタンパク質ケミカルラベリング(3): 電子顕微鏡イメージングへの応用を目指したオリゴHisタグ高反応性プローブの開発 (2018)
  • Author(s): 善明直輝, 渕田大和, 倉重伸崇, 田畑栄一, 内之宮祥平, 王子田彰夫
  • Organizer: 日本化学会第98春季年会
• [Presentation] タンパク質機能解析のための新規His-tag/プローブペアの開発 (2017)
  • Author(s): 善明直輝、渕田大和、倉重伸崇、田畑栄一、内之宮祥平、王子田彰夫
  • Organizer: 第54回化学関連支部合同九州大会
• [Presentation] 標的タンパク質特異的なラベル化のための新規ペプチドタグ/プローブペアの開発とバイオイメージング応用 (2017)
  • Author(s): 倉重伸崇、渕田大和、田畑栄一、内之宮祥平、王子田彰夫
  • Organizer: 生体機能関連化学若手の会第29回サマースクール
• [Presentation] TEMイメージングのためのHisタグ反応型リアクティブタグの開発 (2017)
  • Author(s): 善明直輝、渕田大和、倉重伸崇、田畑栄一、内之宮祥平、王子田彰夫
  • Organizer: 第5回バイオ関連化学シンポジウム若手フォーラム
• [Presentation] His側鎖の求核付加反応によるタンパク質ラベル化を目指した反応性プローブ分子の開発 (2017)
  • Author(s): 善明直輝、渕田大和、倉重伸崇、田畑栄一、内之宮祥平、王子田彰夫
  • Organizer: 第34回日本薬学会九州支部大会
• [Presentation] Screening of peptide tag for selective protein labeling with zinc complex and its application to fluorescence bioimaging (2017)
  • Author(s): Nobutaka Kurashige, Hirokazu Fuchida, Shigekazu Tabata, Shohei Uchinomiya, Akio Ojida
  • Organizer: 第54回ペプチド討論会
• [Remarks] 九州大学薬学研究院ケミカルバイオロジー研究室ホームページ
  • URL: http://bunseki.phar.kyushu-u.ac.jp
• [Remarks] 九州大学薬学研究院創薬ケミカルバイオロジー研究室ホームページ
  • URL: http://bunseki.phar.kyushu-u.ac.jp
• [Remarks] 九州大学薬学研究院生体分析化学分野ホームページ
  • URL: http://bunseki.phar.kyushu-u.ac.jp