非ミトコンドリア型呼吸鎖複合体Iが駆動する微生物の新たな呼吸機構
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22K14816
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 38020:Applied microbiology-related
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
井上 真男 立命館大学, 立命館グローバル・イノベーション研究機構, 助教 (90906976)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| 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)
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| Keywords | 呼吸鎖複合体 / 分子進化 / 微生物ゲノム / 好熱菌 |
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| Outline of Research at the Start |
ミトコンドリアの呼吸鎖複合体IはNADHの酸化を介して中央代謝系と電子伝達系を繋ぎ、呼吸の根幹を担う。しかし、どのような過程を経て巨大酵素複合体の形成に至ったのか、その進化プロセスは謎である。本研究では、NADH酸化モジュールを欠失した呼吸鎖複合体Iが多くの微生物ゲノムに存在することに着目し、このような「非ミトコンドリア型呼吸鎖複合体I」の生理・分子機能解明を通して、微生物祖先が有していたと推測される新たな呼吸経路を解明し、呼吸酵素複合体の分子進化に迫る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ミトコンドリア呼吸鎖複合体 I の祖先型と予想される NADH 酸化モジュールを欠失した非ミトコンドリア呼吸鎖複合体 I に着目し、その微生物ゲノム分布や分子進化、さらには機能解明を通して微生物祖先が有していたと推測される新たな呼吸経路を解明し、呼吸酵素複合体の分子進化に迫ることを目的とする。今年度の主な研究成果は以下の 2 点である。(1) ゲノム情報を用いたバイオインフォマティクス解析を行った。相同性検索によって NADH 酸化モジュールを持たない呼吸鎖複合体 I 様遺伝子群が幅広いバクテリアおよびアーキアゲノムに分布していることが明らかとなった。周辺遺伝子解析から遺伝子クラスターを抽出し、複合体においてイオン輸送や電子伝達を担うサブユニット構成などの特徴を明らかにした。さらに、AlphaFold2 を用いた立体構造予測から呼吸鎖複合体 I には見られない新奇の立体構造上の特徴を見出すことに成功した。これらの成果は、非ミトコンドリア型呼吸鎖複合体 I の多様性を明らかにし、新たな呼吸経路の存在を示唆するものであった。また、NADH酸化モジュールが呼吸鎖複合体 I と独立して複数の微生物ゲノムに分布することも明らかになりつつある。(2) 非ミトコンドリア型の呼吸鎖複合体 I を有する好熱性 Bacilli 綱細菌について、培養系の確立とマーカーレス遺伝子欠損株作製に向けた遺伝子組換え系の基盤構築に成功した。構造機能解析に向けた遺伝学的研究も進めていく予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでにゲノムデータベースを用いたバイオインフォマティクス解析によって、バクテリア 14 門・アーキア 5 門において、NADH 酸化モジュールを欠失した非ミトコンドリア呼吸鎖複合体 I をコードする遺伝子クラスターを見出した。これらはいずれも複数のイオン輸送・電子伝達サブユニットをコードしており、呼吸酵素としての機能を示唆するものであった。さらに、アミノ酸配列解析や立体構造予測によって、これまで呼吸鎖複合体 I に見られていない新奇立体構造モチーフを有するサブファミリーの存在を明らかにした。好熱性 Bacilli 綱細菌の培養株を用いた実験については、未だ遺伝子欠損株や過剰発現株の取得には至っていないが、培養系の確立とマーカーレス遺伝子欠損株作製に向けた遺伝子組換え系の基盤構築は完了している。以上の進捗から当初の研究目標に向けて十分な成果が見込まれるため上記の評価となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) バイオインフォマティクス解析については、メタゲノム情報も含めることで解析データセットを拡張し、非ミトコンドリア呼吸鎖複合体 I の多様性やゲノム分布、生物圏情報まで統合し、包括的な解析を行う。(2) 非ミトコンドリア型呼吸鎖複合体 I を有する好熱性 Bacilli 綱細菌について、マーカーレス遺伝子欠損株の作製を行い、オミクス解析を含めて表現型解析を行うほか、構造機能解析に向けて過剰発現株の構築と複合体の精製を試みる。2023 年度は以上 2 点を中心に引き続き研究を推進し、得られた成果は学会発表や原著論文を通じて社会に広く公表する。
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Report
(1 results)
Research Products
(33 results)
