Molecular mechanism of the supramolecular machinery involved in biosynthesis of labile iron-sulfur clusters

• Project/Area Number: 24570148
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Functional biochemistry
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: TAKAHASHI Yasuhiro 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (10154874)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): FUKUYAMA Keiichi 大阪大学, 工学(系)研究科, 招聘研究員 (80032283)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2014: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2013: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2012: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 鉄硫黄タンパク質 / 鉄硫黄クラスター / 生合成 / マシナリー / 分子生物学

Outline of Final Research Achievements

Biological assembly of iron-sulfur (Fe-S) clusters is mediated by complex systems consisting of multiple proteins. In this study, we have characterized two distinct systems called the ISC and SUF machineries in Escherichia coli. We found that modification of the isoprenoid biosynthetic pathway in E. coli can offset the indispensability of the Fe-S cluster biosynthetic systems and show that the resulting Δisc Δsuf double mutants can grow without detectable Fe-S cluster cluster containing proteins. We constructed and characterized a series of mutants and found hitherto unrecognized roles of some ISC components. We also determined the first crystal structure of the E. coli SufBCD complex that functions in the SUF machinery as a scaffold for the de novo Fe-S cluster assembly.

Research Products

• [Journal Article] Novel features of the ISC machinery revealed by characterization of Escherichia coli mutants that survive without iron-sulfur clusters (2016)
  • Author(s): Naoyuki Tanaka, Miaki Kanazawa, Keitaro Tonosaki, Nao Yokoyama, Tomohisa Kuzuyama, Yasuhiro Takahashi
  • Journal Title: Molecular Microbiology Volume: 99 Issue: 5 Pages: 835-848
  • DOI: 10.1111/mmi.13271
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Functional Dynamics Revealed by the Structure of the SufBCD Complex, a Novel ATP-binding Cassette (ABC) Protein That Serves as a Scaffold for Iron-Sulfur Cluster Biogenesis. (2015)
  • Author(s): Hirabayashi K, Yuda E, Tanaka N, Katayama S, Iwasaki K, Matsumoto T, Kurisu G, Outten FW, Fukuyama K, Takahashi Y, Wada K.
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 290 Issue: 50 Pages: 29717-29731
  • DOI: 10.1074/jbc.m115.680934
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Response of FeeS cluster assembly machinery of Escherichia coli to mechanical stress in a model of amino-acid crystal fermentation (2015)
  • Author(s): Satoshi Okutani, Takayoshi Iwai, Shintaro Iwatani, Kiyoshi Matsuno, Yasuhiro Takahashi, Toshiharu Hase
  • Journal Title: J. Biosci. Bioeng. Volume: 未定 Issue: 3 Pages: 287-293
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2015.01.011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Radical S-Adenosyl-L-methionine Enzyme QhpD Catalyzes Sequential Formation of Intra-protein Sulfur-to-Methylene Carbon Thioether Bonds (2015)
  • Author(s): Tadashi Nakai, Hiroto Ito, Kazuo Kobayashi, Yasuhiro Takahashi, Hiroshi Hori, Motonari Tsubaki, Katsuyuki Tanizawa, and Toshihide Okajima
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 未定 Issue: 17 Pages: 11144-11166
  • DOI: 10.1074/jbc.m115.638320
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 鉄硫黄クラスターの生合成に特化したHsp70型分子シャペロンシステムの遺伝学的解析 (2016)
  • Author(s): 金澤美秋、田中尚志、松嶋夢叶、高橋康弘
  • Organizer: 第10回日本ゲノム微生物学会年会
  • Place of Presentation: 東京工業大学 大岡山キャンパス（東京都）
  • Year and Date: 2016-03-04
• [Presentation] 広がりゆく鉄硫黄タンパク質の世界 (2015)
  • Author(s): 高橋康弘
  • Organizer: BMB2015（第38回分子生物学会年会・第88回生化学会大会合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-01
  • Invited
• [Presentation] 鉄硫黄クラスター生合成系の完全欠損変異株を用いたISCマシナリーの再検討 (2015)
  • Author(s): 田中 尚志、金澤 美秋、外崎 敬太郎、葛山 智久、高橋 康弘
  • Organizer: BMB2015（第38回分子生物学会年会・第88回生化学会大会合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-01
• [Presentation] 鉄硫黄クラスター生合成系に関与する大腸菌フェレドキシン（Fdx）の機能残基および機能領域の解析 (2015)
  • Author(s): 外崎 敬太郎、田中 尚志、金澤 美秋、高橋 康弘
  • Organizer: BMB2015（第38回分子生物学会年会・第88回生化学会大会合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-01
• [Presentation] 大腸菌鉄硫黄クラスター生合成におけるフェレドキシン（Fdx）の機能残基および機能領域の解析 (2015)
  • Author(s): 外崎敬太郎、田中尚志、高橋康弘
  • Organizer: 第14 回微生物研究会
  • Place of Presentation: 明治大学生田キャンパス（神奈川県川崎市）
  • Year and Date: 2015-10-31
• [Presentation] 大腸菌の鉄硫黄クラスター生合成欠損株の比較解析から判明した新たな特性 (2015)
  • Author(s): 金澤美秋、田中尚志、高橋康弘
  • Organizer: 第14 回微生物研究会
  • Place of Presentation: 明治大学生田キャンパス（神奈川県川崎市）
  • Year and Date: 2015-10-31
• [Presentation] 大腸菌の鉄硫黄クラスター生合成欠損 株の解析から新たに判明したISCマシ ナリーの特性 (2015)
  • Author(s): 金澤美秋、田中尚志、高橋康弘、葛山智久
  • Organizer: 日本遺伝学会第87回大会
  • Place of Presentation: 東北大学川内北キャンパス（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2015-09-24
• [Presentation] Genetic and Biochemical Analysis of IscU, a Central Component of Fe-S Cluster Biosynthesis Machinery (2015)
  • Author(s): Naoyuki Tanaka, Miaki Kanazawa, Tomohisa Kuzuyama, and Yasuhiro Takahashi
  • Organizer: RIKEN Symposium, “Metals in Biology” in Wako
  • Place of Presentation: 理化学研究所（埼玉県和光市）
  • Year and Date: 2015-06-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 鉄硫黄クラスター生合成系の新たな遺伝学的解析 (2015)
  • Author(s): 金澤美秋、田中尚志、高橋康弘
  • Organizer: 第12回21世紀大腸菌研究会
  • Place of Presentation: 琵琶湖グランドホテル・京近江（滋賀県大津市）
  • Year and Date: 2015-06-04
• [Presentation] イソプレノイド合成経路を代謝改変した大腸菌変異株における鉄硫黄クラスター生合成系の機能解析 (2015)
  • Author(s): 田中尚志、金澤美秋、葛山智久、朝井計、高橋 康弘
  • Organizer: 日本農芸化学会2015年度大会
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山県岡山市）
  • Year and Date: 2015-03-26 – 2015-03-29
• [Presentation] 鉄硫黄クラスターの生合成を担うISCマシナリーの構造と遺伝学的解析 (2015)
  • Author(s): 高橋康弘
  • Organizer: 大阪大学蛋白質研究所セミナー
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-03-05
  • Invited
• [Presentation] 大腸菌鉄硫黄クラスター生合成系におけるフェレドキシン（Fdx）の機能領域の解析 (2014)
  • Author(s): 外崎敬太郎、田中尚志、高橋康弘
  • Organizer: 日本農芸化学会関東支部2014年度支部大会
  • Place of Presentation: 埼玉大学（埼玉県さいたま市）
  • Year and Date: 2014-10-18
• [Presentation] 超好熱細菌Aquifex aeolicusの鉄硫黄クラスター生合成系：新規なIscS-IscU-[2Fe-2S]複合体の形成 (2014)
  • Author(s): 山川 誠, 岩永 朋子, 平林 佳, 和田 啓, 福山 恵一, 高橋 康弘
  • Organizer: 第87回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 京都国際会館（京都府京都市）
  • Year and Date: 2014-10-15 – 2014-10-18
• [Presentation] 鉄硫黄クラスター生合成系（ISCマシナリー）におけるIscUの構造変換の意義 (2014)
  • Author(s): 田中 尚志, 松嶋 夢叶, 北村 整一, 和田 啓, 福山 恵一, 高橋 康弘
  • Organizer: 第87回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 京都国際会館（京都府京都市）
  • Year and Date: 2014-10-15 – 2014-10-18
• [Presentation] 超好熱菌Aquifex aeolicusの鉄硫黄クラスター生合成系ISC様マシナリーの解析 (2014)
  • Author(s): 山川 誠、岩永 朋子、平林 佳、和田 啓、高橋 康弘
  • Organizer: 平成26年度日本生化学会関東支部例会
  • Place of Presentation: 茨城大学（茨城県水戸市）
  • Year and Date: 2014-06-14
• [Presentation] 鉄硫黄クラスターの生合成におけるフェレドキシン（Fdx）の機能領域の解析 (2014)
  • Author(s): 外崎 敬太郎、田中 尚志、高橋 康弘
  • Organizer: 平成26年度日本生化学会関東支部例会
  • Place of Presentation: 茨城大学（茨城県水戸市）
  • Year and Date: 2014-06-14
• [Presentation] 鉄硫黄クラスターの生合成を担うISCマシナリーの機能解析 (2014)
  • Author(s): 田中 尚志、葛山 智久、高橋 康弘
  • Organizer: 平成26年度日本生化学会関東支部例会
  • Place of Presentation: 茨城大学（茨城県水戸市）
  • Year and Date: 2014-06-14
• [Presentation] Fe-S クラスターを持たなくても生存可能な大腸菌変異株を用いたFe-S クラスター生合成系の解析 (2014)
  • Author(s): 田中 尚志、葛山 智久、高橋 康弘
  • Organizer: 第11回21世紀大腸菌研究会
  • Place of Presentation: 岩手県盛岡市ホテル大観
  • Year and Date: 2014-06-05 – 2014-06-06
• [Presentation] イソプレノイド生合成系を改変した大腸菌における鉄硫黄クラスター生合成 系の解析 (2014)
  • Author(s): 田中尚志、葛山智久、高橋康弘
  • Organizer: 第8回日本ゲノム微生物学会年会
  • Place of Presentation: 東京農業大学（東京都）
• [Presentation] 大腸菌の鉄硫黄クラスター生合成系（SUFマシナリー）におけるSufBの機能解析 (2014)
  • Author(s): 湯田瑛樹、佐藤喬之、田中尚志、葛山智久、高橋康弘
  • Organizer: 第8回日本ゲノム微生物学会年会
  • Place of Presentation: 東京農業大学（東京都）
• [Presentation] 枯草菌の鉄硫黄クラスター生合成系：合成生物学的アプローチによる必須オペ ロンの破壊と置換 (2014)
  • Author(s): 横山奈央、野中ちひろ、田中尚志、葛山智久、朝井計、髙橋康弘
  • Organizer: 第8回日本ゲノム微生物学会年会
  • Place of Presentation: 東京農業大学（東京都）
• [Presentation] Mutational analysis of IscU revealed novel functional residues (2013)
  • Author(s): N. Tanaka1, T. Masako, K. Wada, K. Fukuyama, T. Kuzuyama, and Y. Takahashi
  • Organizer: 7th International Conference on Iron-Sulfur Cluster Biogenesis and Regulation
  • Place of Presentation: University of South Carolina, USA
• [Presentation] X-ray crystallographic analysis of a noncanonical cysteine desulfurase from the hyperthermophile, Aquifex aeolicus (2013)
  • Author(s): Kei Hirabayashi, Tomoko Iwanaga, Makoto Yamakawa, Naoyuki Tanaka, Keiichi Fukuyama, Yasuhiro Takahashi, and Kei Wada
  • Organizer: 7th International Conference on Iron-Sulfur Cluster Biogenesis and Regulation
  • Place of Presentation: University of South Carolina, USA
• [Presentation] 蛋白質複合体間の会合状態変換が生み出す鉄硫黄クラスターの合成基盤 (2013)
  • Author(s): 平林 佳、長坂 雄太、佐藤 喬之、 片山 寿美枝、岩崎 憲治、福山 恵一、 高橋 康弘、和田 啓
  • Organizer: 第14回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: ワークピア横浜（神奈川県）
• [Presentation] イソプレノイド生合成系を改変した大腸菌変異株における、鉄硫黄クラスター生合成系の機能解析 (2013)
  • Author(s): 田中尚志、葛山智久、高橋康弘
  • Organizer: 第10回21世紀大腸菌研究会
  • Place of Presentation: ラフォーレ修善寺（静岡県）
• [Presentation] 枯草菌の鉄硫黄クラスター生合成オペロン破壊株の構築 (2013)
  • Author(s): 野中ちひろ、横山奈央、田中尚志・葛山智久、朝井計、高橋康弘
  • Organizer: 2013 年度 グラム陽性菌ゲノム機能会議
  • Place of Presentation: 筑波山江戸屋（茨城県）
• [Presentation] 枯草菌鉄硫黄クラスター生合成系におけるSufU の機能解析 (2013)
  • Author(s): 坂本琴望、大橋由香里、塩田正晴、田中尚志、朝井計、高橋康弘
  • Organizer: 2013 年度 グラム陽性菌ゲノム機能会議
  • Place of Presentation: 筑波山江戸屋（茨城県）
• [Presentation] 鉄硫黄クラスター合成装置のダイナミックな構造変化 (2013)
  • Author(s): 平林 佳, 長坂 雄太, 佐藤 喬之, 片山 寿美枝, 岩崎 憲治, 福山 恵一, 高橋 康弘, 和田 啓
  • Organizer: 第86回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県）
• [Presentation] 鉄硫黄クラスター生合成系の中心成分IscUへの変異導入とin vivo機能解析 (2013)
  • Author(s): 田中 尚志, 和田 啓, 福山 恵一, 葛山 智久, 高橋 康弘
  • Organizer: 第86回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県）
• [Presentation] Structural and in vitro Functional Studies of IscU, a Central Component of the Iron-Sulfur Cluster (ISC) Biosynthesis Machinery (2013)
  • Author(s): Yasuhiro Takahashi
  • Organizer: International Mini-Symposium on Biochemistry and Bioinorganic Chemistry of the Nitrogenase Active Sites
  • Place of Presentation: 名古屋大学 （愛知県）
  • Invited
• [Presentation] 鉄硫黄クラスターの生合成系を完全に欠失したバクテリア変異株の構築 (2013)
  • Author(s): 田中尚志、横山奈央、野中ちひろ、坂本琴望、朝井計、葛山智久、高橋康弘
  • Organizer: 「細胞を創る」研究会 6.0
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学鶴岡（山形県）
• [Presentation] 鉄硫黄クラスター生合成系NIFマシナリーの機能解析 (2013)
  • Author(s): 葛西隆之、田中尚志、高橋康弘
  • Organizer: 第12回微生物研究会
  • Place of Presentation: 東京電機大学（東京都）
• [Presentation] 超好熱菌Aquifex aeolicusの鉄硫黄クラスター生合成系、ISC様マシナリーの解析 (2013)
  • Author(s): 山川誠、岩永朋子、平林佳、和田啓、高橋康弘
  • Organizer: 第12回微生物研究会
  • Place of Presentation: 東京電機大学（東京都）
• [Presentation] 鉄硫黄クラスターをつくれない枯草菌：必須オペロンの破壊と変異株の性質 (2013)
  • Author(s): 横山奈央、野中ちひろ、田中尚志、葛山智久、朝井計、高橋康弘
  • Organizer: 第12回微生物研究会
  • Place of Presentation: 東京電機大学（東京都）
• [Presentation] 鉄硫黄クラスターのde novo合成を支える、脱硫黄酵素IscSを中心としたISC蛋白質群の相互作用 (2012)
  • Author(s): 平林佳
  • Organizer: 第12回蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
• [Presentation] 鉄硫黄クラスターの新規形成を担うIscUタンパク質のin vivo機能解析：クラスター近傍の必須残基の役割 (2012)
  • Author(s): 田中尚志
  • Organizer: 第12回蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
• [Presentation] 枯草菌鉄硫黄クラスター生合成系の遺伝学的解析 (2012)
  • Author(s): 高橋康弘
  • Organizer: 第85回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場
• [Presentation] キノヘムプロテイン・アミン脱水素酵素の生合成に必須なペプチド分子内チオエーテル架橋形成酵素の機能解析 (2012)
  • Author(s): 中井忠志
  • Organizer: 第85回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場
• [Presentation] 鉄硫黄クラスター合成系 ISC マシナリーを支えるタンパク質間相互作用の構造生物学的研究 (2012)
  • Author(s): 平林佳
  • Organizer: 第85回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場
• [Presentation] イソプレノイド合成系を改変した大腸菌変異株における鉄硫黄クラスター生合成系ISCマシナリーの機能解析 (2012)
  • Author(s): 田中尚志
  • Organizer: 第85回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場
• [Remarks] 分子統御研究室ホームページ
  • URL: http://park.saitama-u.ac.jp/~tougyo/
• [Remarks] 分子統御研究室ホームページ
  • URL: http://www.molbiol.saitama-u.ac.jp/tougyo/