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水素結合ネットワークに着目した青色光受容タンパク質ファミリーの機能制御機構の解明

Research Project

Project/Area Number 21J13329
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 43040:Biophysics-related
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

細川 雄平  大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(PD)

Project Period (FY) 2021-04-28 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords光受容 / タンパク質内電子移動 / 電荷分離 / 構造機能相関 / 分子進化 / 光回復酵素 / クリプトクロム
Outline of Research at the Start

本研究ではゲノム恒常性の維持や概日リズム形成に関与するタンパク質群である光回復酵素・クリプトクロムスーパーファミリーの機能制御機構について解明する。このタンパク質群の大部分は光を受容し電荷分離状態の生成を経て機能発現することから、電荷分離状態を安定化する機構を解明することが不可欠である。本研究では水素結合ネットワークの存在に着目して電荷分離状態安定化機構を明らかにし、さらには電荷分離状態の生成が誘起する構造変化の機構についても明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではゲノム恒常性や概日リズム形成に関与する青色光受容タンパク質ファミリーである光回復酵素・クリプトクロムスーパーファミリーの機能制御機構に着目した。特に、シロイヌナズナ由来の(6-4)光回復酵素 (At64) と、ショウジョウバエ由来のクリプトクロム (DmCRY) の2つのタンパク質に注目した。両者はともに、補因子であるフラビンアデニンジヌクレオチド(FAD)とトリプトファン残基との間で光依存的に電荷分離状態を形成し、その後、FADを還元することが知られている。この光依存的な還元反応が当該タンパク質ファミリーの多様な機能を制御していると考えられている。本研究課題を通じて、申請者はAt64が例外的に安定的な電荷分離状態を作り出すことを見出し、その安定化機構をナノ秒オーダーの時間分解測定を含む分光学的測定と分子動力学計算を組み合わせることで新規に解明し、論文報告した。一方で、DmCRYは光依存的構造変化に伴って立体構造を変化させることが知られていることから、当該研究の進展に向けて、光依存的構造変化の検出系の確立に尽力した。検出にはタンパク質をトリプシンで処理したときのバンドパターンが立体構造の違いによって変化することを利用し、また精製方法も新たに改善した。これにより、暗状態と明状態の構造を明確に区別することが可能になった。当初はAt64とDmCRYの配列類似性に立脚して、DmCRYの変異体を作製し、DmCRYの構造変化機構を同定する予定であった。しかし、At64の電荷分離状態安定化機構が当初の予想よりもずっと特異的なものであったため、この方針の適用には至っていない。しかし、検出系の確立に成功していることから、今後、他の変異体を用いて実験することで、研究が進展すると期待される。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] 台湾/中央研究院(その他の国・地域)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] I2BC/University of Paris-Saclay(フランス)

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      2022 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Philipps-University Marburg(ドイツ)

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      2022 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Universite Paris-Saclay/CEA/CNRS(フランス)

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Journal Article] Serial crystallography captures dynamic control of sequential electron and proton transfer events in a flavoenzyme2022

    • Author(s)
      Maestre-Reyna M, Yang CH, Nango E, Huang WC, Putu EPGN, Wu WJ, Wang PH, Franz-Badur S, Saft M, Emmerich HJ, WHY, LCC, HKF, CYK, LJH, WJH, GW, CCW, PAH, SM, OS, HY, JY, YA, TR, TT, LF, TK, HKC, KS, Schapiro I, Spadaccini R, Royant A, Yamamoto J, Iwata S, Essen LO*, Bessho Y*, Tsai MD*
    • Journal Title

      Nature Chemistry

      Volume: - Issue: 6 Pages: 677-685

    • DOI

      10.1038/s41557-022-00922-3

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Limited solvation of an electron donating tryptophan stabilizes a photoinduced charge-separated state in plant (6-4) photolyase2022

    • Author(s)
      Yuhei Hosokawa, Pavel Mueller, Hirotaka Kitoh-Nishioka, Shigenori Iwai, Junpei Yamamoto
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 5084-5084

    • DOI

      10.1038/s41598-022-08928-0

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Limited solvation of an electron donating tryptophan stabilizes a photoinduced charge-separated state in plant (6–4) photolyase2023

    • Author(s)
      Yuhei Hosokawa
    • Organizer
      The I2BC Axis 4 Club at I2BC/University of Paris-Saclay
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Thermodynamic and kinetic factors affecting the redox chemistry of a flavin cofactor in photolyases2022

    • Author(s)
      Yuhei Hosokawa
    • Organizer
      第60回生物物理学会年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Quantitative measurements of the redox chemistry of a flavin cofactor in photolyases and cryptochromes2021

    • Author(s)
      細川雄平、盛田宏義、中村麻愛、岩井成憲、山元淳平
    • Organizer
      第59回生物物理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2021-05-27   Modified: 2024-03-26  

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