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Photo-controlled stepwise elongation to synthesize branched polyubiquitin chains for studying their structure-function relationships

Research Project

Project/Area Number 22K14778
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 37010:Bio-related chemistry
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

Furuhata Takafumi  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (50882635)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywordsユビキチン / 分岐鎖 / ワンポット / 光制御 / 不均一鎖 / 分岐位置 / 分岐構造制御 / プロテアソーム / ワンポット合成 / ポリユビキチン / 段階的伸長 / 光分解性保護基
Outline of Research at the Start

ユビキチンープロテアソーム系における強力な分解誘導因子として、分岐ポリユビキチン鎖 (分岐鎖) が急速に注目を集めている。しかし、分岐点や鎖長、および結合様式 (いずれのリシン残基を介して連結するか) の組み合わせなど、分岐鎖の各構造因子が基質分解の制御に果たす役割は明らかではない。以上から、本研究では、光誘起型段階的伸長戦略により、構造を厳密に制御したポリユビキチン鎖群の効率的創製を試みる。また、得られたポリユビキチン鎖群を用いて、基質分解の制御因子として働く構造要素を抽出し、分岐鎖によるユビキチンープロテアソーム系の制御メカニズムをその立体構造の観点から解明を目指す。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we devised one-pot photo-controlled synthesis of structure-defined branched polyubiquitin chains to extract their structure-function relationships. To this end, we used a photo-labile protecting group on a lysine of ubiquitin to control the reactivity of ubiquitin in enzymatic ubiquitin elongation by photoirradiation. This enabled stepwise ubiquitin elongation for the control of length and site-selective introduction of ubiquitins with K-to-R mutations to define branching sites. Using the constructed branched ubiquitin chain library, we have also revealed that the branching position can act as a regulatory factor to modulate the interaction with ubiquitin-recognizing proteins.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ユビキチン鎖は、細胞機能の動的かつ多様な制御に関わる翻訳後修飾であり、その機能や構造の異常はがんや神経変性疾患をはじめとする重大疾患につながる。特に、分岐鎖の構造多様性は多彩な生体制御機構の根幹をなす。これに対し、本研究では、分岐ユビキチン鎖の合成・構造制御手法を有機化学的アプローチから新規に提案するものである。これにより、各種ポリユビキチンのプロテアソーム分解における構造機能相関の系統的評価を実現し、分岐位置が分岐鎖の機能調節に果たす役割を抽出した。タンパク質標的分解機構を活用した創薬研究、更には分岐鎖の機能研究全般まで、生命科学と化学の幅広い領域の基礎となる学術基盤を与える。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Journal Article] One-Pot, Photocontrolled Enzymatic Assembly of the Structure-Defined Heterotypic Polyubiquitin Chain2023

    • Author(s)
      Furuhata, T.; Racheal, P. A. D.; Murayama, I.; Toyoda, U.; Okamoto, A.
    • Journal Title

      J. Am. Chem. Soc.

      Volume: 145 Pages: 11690-11700

    • DOI

      10.1021/jacs.3c01912

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] オキシム連結反応を用いた不均一ユビキチン鎖の 構造制御合成2024

    • Author(s)
      篠原 陵大、古畑 隆史、山田 征吾、岡本 晃充
    • Organizer
      日本化学会第104春期年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 古畑隆史、崔汎圭、宇野大輝、 佐藤裕介、尾勝圭、深井周也、岡本晃充2024

    • Author(s)
      不均一鎖の近位ユビキチンC末端への多様な化学修飾の導入
    • Organizer
      日本化学会第104春期年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 吉田 和生、古畑 隆史、土屋 光、佐伯 泰、岡本 晃充2024

    • Author(s)
      タンパク質分解経路の制御を指向した新規ケミカルノックダウン法の確立
    • Organizer
      日本薬学会第144年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Exploration of peptide-based degraders for chemical protein knockdown via noncovalent ubiquitination2024

    • Author(s)
      Jotaro Miyamoto, Kazuki Yoshida, Takafumi Furuhata, Akimitsu Okamoto
    • Organizer
      The 3rd International Symposium on Biofunctional Chemistry
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 分岐構造を規定した不均一ポリユビキチン鎖の ワンポット構築2023

    • Author(s)
      古畑隆史、Phebee Angeline Devadasan Racheal、冨田拓哉、佐藤裕介、尾勝圭、 村山 伊織、豊田宇咲乃、深井 周也、佐伯 泰、岡本晃充
    • Organizer
      第19回バイオ関連 化学シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ペプチド型ユビキチンリガンドキメラを用いた標的タンパク質分解2023

    • Author(s)
      宮本 丈太郎、吉田 和生、古畑 隆史、岡本 晃充
    • Organizer
      第13回CSJ化学フェスタ2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 宇野大輝, 豊田宇咲乃, 冨田拓哉, 古畑隆史, 佐藤裕介, 尾勝圭, 小澤ときは, 深井周也, 佐伯泰, 岡本晃充2023

    • Author(s)
      光架橋型分岐ポリユビキチンプローブの開発
    • Organizer
      第19回バイオ関連 化学シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Enzyme mediated one-pot synthesis of branched polyubiquitin (K48/K63) chain via photo-induced stepwise synthesis2023

    • Author(s)
      Phebee Angeline Devadasan Racheal
    • Organizer
      The 103rd CSJ Annual Meeting
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] One-pot controlled synthesis of heterotypic polyubiquitin by photo-controlled enzymatic chain assembly2022

    • Author(s)
      古畑 隆史
    • Organizer
      Ubiquitin New Frontier "from Neo-Biology to Targeted Protein Degradation"
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Synthesis and application of photo-crosslinking heterotypic polyubiquitin probes with different branched structure2022

    • Author(s)
      豊田 宇咲乃
    • Organizer
      Ubiquitin New Frontier "from Neo-Biology to Targeted Protein Degradation"
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The effect of ubiquitin structure on the targeted protein degradation mediated by indirect ubiquitination2022

    • Author(s)
      宇野 大輝
    • Organizer
      Ubiquitin New Frontier "from Neo-Biology to Targeted Protein Degradation"
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2022-04-19   Modified: 2025-01-30  

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