べん毛蛋白質輸送システムの動的機能構造解析

• Project Area: Novel measurement techniques for visualizing 'live' protein molecules at work
• Project/Area Number: 15H01640
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 南野 徹 大阪大学, 生命機能研究科, 准教授 (20402993)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000); Fiscal Year 2016: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2015: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: 蛋白質 / 細菌 / 分子モーター / 電子顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、in vivoでの動態機能解析、X線結晶構造解析およびクライオ電子線トモグラフィー法による構造解析、さらにin vitroでの生化学的機能解析法を上手く組み合わせることで、フック完成シグナルに伴う輸送装置の基質認識モード切り替え機構を原子レベルで解明することを目的としている。本年度の主な成果は以下に示す。
1. べん毛輸送シャペロンであるFlgNの立体構造を2.3Å分解能で決定した。構造に基づいて変異体解析を行った結果、α1ヘリックスとα2ヘリックスを繋ぐNループ領域がFlgNの輸送シャペロン活性を巧みに制御する構造スイッチとして機能することが判明した。
2. べん毛輸送シャペロンであるFliSとFlhAcとの間の強い相互作用を介してフラジェリンのC末領域がFlhAcに安定にアンカーされると、輸送ゲート複合体によってフラジェリンが効率よくアンフォールドされて細胞外方向へ輸送されることが判明した。
3. FliKのC末天然変性領域がフォールドすると、FliKのC末コアドメインが構造変化し、その結果輸送ゲート蛋白質FlhBに結合することが示唆された。
4. FlhAリング複合体形成は非常に高い正の協同性を示すこと、さらにその協同的なサブユニット間相互作用にはリンカー領域が重要であることが明らかとなった。
5. FlhAリング複合体が構造変化すると、輸送装置の基質特異性が切り替わることが判明した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ニューキャスル大学(英国)
• [Int'l Joint Research] ヘルムホルツ感染研究センター(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ニューキャッスル大学(英国)
• [Int'l Joint Research] ヘルムホルツ感染研究センター(ドイツ)
• [Journal Article] Bacterial intracellular sodium ion measurement using CoroNa Green (2017)
  • Author(s): Yusuke V. Morimoto, Keiichi Namba, Tohru Minamino
  • Journal Title: Bio-protocol Volume: 7 Issue: 1
  • DOI: 10.21769/bioprotoc.2092
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Measurements of free-swimming speed of motile Salmonella cells in liquid media (2017)
  • Author(s): Yusuke V. Morimoto, Keiichi Namba, Tohru Minamino
  • Journal Title: Bio-protocol Volume: 7 Issue: 1
  • DOI: 10.21769/bioprotoc.2093
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Bacterial flagella grow through an injection-diffusion mechanism. (2017)
  • Author(s): Renault, T.T., Abraham, A.O., Bergmiller, T., Parados, G., Rainville, S., Charpentier, E., Guet, C.C., Tu, Y., Namba, K., Keener, J.P., Minamino, T., Erhardt, M.
  • Journal Title: eLife Volume: 6
  • DOI: 10.7554/elife.23136
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fuel of the bacterial flagellar type III export apparatus. (2017)
  • Author(s): Minamino, T., Kinoshita, M., Namba, K.
  • Journal Title: Methods Mol. Biol. Volume: 1593 Pages: 3-16
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-6927-2_1
  • ISBN: 9781493969265, 9781493969272
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Rearrangements of α-helical structures of FlgN chaperone control the binding affinity for its cognate substrates during flagellar type III export. (2016)
  • Author(s): Kinoshita, M., Nakanishi, Y., Furukawa, Y., Namba, K., Imada, K., Minamino, T.
  • Journal Title: Mol. Microbiol. Volume: 101 Issue: 4 Pages: 656-670
  • DOI: 10.1111/mmi.13415
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structural stability of flagellin subunit affects the rate of flagellin export in the absence of FliS chaperone. (2016)
  • Author(s): Furukawa, Y., Inoue, Y., Sakaguchi, A., Mori, Y., Fukumura, T., Miyata, T., Namba, K., Minamino, T.
  • Journal Title: Mol. Microbiol. Volume: 102 Issue: 3 Pages: 405-416
  • DOI: 10.1111/mmi.13469
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] High-resolution pH imaging of living bacterial cell to detect local pH differences (2016)
  • Author(s): Yusuke V. Morimoto, Nobunori Kami-ike, Tomoko Miyata, Akihiro Kawamoto, Takayuki Kato, Keiichi Namba, Tohru Minamino
  • Journal Title: mBio Volume: 7 Issue: 6
  • DOI: 10.1128/mbio.01911-16
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] FliH and FliI ensure efficient energy coupling of flagellar type III protein export in Salmonella. (2016)
  • Author(s): Minamino T, Kinoshita M, Inoue Y, Morimoto YV, Ihara K, Koya S, Hara N, Nishioka N, Kojima S, Homma M, Namba K
  • Journal Title: Microbiologyopen Volume: - Issue: 3 Pages: 340-340
  • DOI: 10.1002/mbo3.340
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The bacterial flagellar type III export gate complex is a dual fuel engine that can use both H+ and Na+ for flagellar protein export (2016)
  • Author(s): Minamino T, Morimoto YV, Hara N, Aldridge PD, Namba K
  • Journal Title: PLoS Pathog Volume: 12 Issue: 3 Pages: e1005495-e1005495
  • DOI: 10.1371/journal.ppat.1005495
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Insight into the flagella type III export revealed by the complex structure of the type III ATPase and its regulator. (2016)
  • Author(s): Imada, K., Minamino, T., Uchida, Y., Kinoshita, M., Namba, K.
  • Journal Title: Proc. Natl Acad. Sci. USA Volume: 113(13) Issue: 13 Pages: 3633-3638
  • DOI: 10.1073/pnas.1524025113
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The bacterial flagellar motor and its structural diversity (2015)
  • Author(s): Minamino T, Imada K
  • Journal Title: Trends Microbiol Volume: 未定 Issue: 5 Pages: 267-274
  • DOI: 10.1016/j.tim.2014.12.011
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Weak interactions between Salmonella enterica FlhB and other flagellar export apparatus proteins govern type III secretion dynamics (2015)
  • Author(s): McMurry, J.L., Minamino, T., Furukawa, Y., Francis, J.W., Hill, S.A., Helms, K.A., Namba, K.
  • Journal Title: PLOS One Volume: 10 Issue: 8 Pages: e0134884-e0134884
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0134884
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structure and function of the bacterial flagellar type III protein export system in <i>Salmonella </i> (2015)
  • Author(s): 南野徹
  • Journal Title: Nippon Saikingaku Zasshi Volume: 70 Issue: 3 Pages: 351-364
  • DOI: 10.3412/jsb.70.351
  • NAID: 130005094696
  • ISSN: 0021-4930, 1882-4110
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] べん毛III型輸送装置構成蛋白質FliJとIII型輸送シャペロンとの相互作用 (Role of interactions of FliJ with FlgN and FliT chaperones in flagellar type III protein export). (2017)
  • Author(s): 南野徹, 木下実紀, 森本雄祐, 難波啓一.
  • Organizer: 第90回日本細菌学会総会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター展示棟（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2017-03-19
• [Presentation] Cooperative remodeling of the FlhA ring structure coordinates flagella type III protein export with assembly. (2017)
  • Author(s): Minamino, T.
  • Organizer: OIST Workshop “Bacterial Flagella, Injectiosome and Type III Secretion Systems”
  • Place of Presentation: OIST, Kunigami-gun, Okinawa
  • Year and Date: 2017-03-02
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Conformational rearrangement of FlhA is critical for flagellar type III protein export. (2017)
  • Author(s): Inoue, Y., Kinoshita, M., Kitano, A., Imada, K., Namba, K., Minamino, T.
  • Organizer: OIST Workshop “Bacterial flagella, injectisomes & type III secretion systems” joint with Annual Flagella Meeting
  • Place of Presentation: OIST, Kunigami-gun, Okinawa
  • Year and Date: 2017-03-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Role of intrinsically disordered region of the C-terminal domain of FliK in substrate specificity switching of the bacterial flagellar type III export apparatus. (2017)
  • Author(s): Kinoshita, M., Aizawa, S., Namba, K., Minamino, T.
  • Organizer: IST Workshop “Bacterial flagella, injectisomes & type III secretion systems” joint with Annual Flagella Meeting
  • Place of Presentation: OIST, Kunigami-gun, Okinawa
  • Year and Date: 2017-03-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In Vitro reconstitution of the protein export of the flagellar typeIII secretion system by using the inverted membrane vesicles. (2017)
  • Author(s): Terashima, H., Kawamoto, A., Tatsumi, C., Namba, K., Minamino, T., Imada, K.
  • Organizer: OIST Workshop “Bacterial flagella, injectisomes & type III secretion systems” joint with Annual Flagella Meeting
  • Place of Presentation: OIST, Kunigami-gun, Okinawa
  • Year and Date: 2017-03-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 蛍光ラベルした細菌べん毛蛋白質のin vitro輸送測定系を用いた検出. (2016)
  • Author(s): 戸野侃, 寺島浩行, 巽千夏, 川本晃大, 田端和仁, 上野博史, 松田知己, 永井健治, 野地博行, 難波啓一, 南野徹, 今田勝巳.
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会第42回討論会
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2016-12-20
• [Presentation] 蛋白質膜透過を駆動するモータータンパク質のスナップショット. Snapshots of a protein translocation motor. (2016)
  • Author(s): Furukawa, A., Yoshikaie, K., Mori, T., Mori, H., Morimoto, Y., Sugano, Y., Iwaki, S., Minamino, T., Sugita, Y., Tanaka, Y., Tsukazaki, T.
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-27
• [Presentation] FlhAの構造変換がべん毛蛋白質輸送順序の決定に重要である. Conformational rearrangements of FlhA is critical for ordered protein export during flagellar assembly. (2016)
  • Author(s): Inoue, Y., Ogawa, Y., Kinoshita, M., Imada, K., Namba, K., Minamino, T.
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-27
• [Presentation] 細菌べん毛III型タンパク質輸送のin vitro再構築. In vitro reconstitution of the bacterial flagellar type III protein export. (2016)
  • Author(s): Terashima, H., Kawamoto, A., Tatsumi, C., Namba, K., Minamino, T., Imada, K.
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-27
• [Presentation] 反転膜小胞を用いたべん毛軸構造タンパク質よ輸送順序の解析. Secretion order of the Class-II flagellar axial proteins analyzed by inverted membrane vesicles(IMV). (2016)
  • Author(s): Matsumoto, Y., Tatsumi, C., Terashima, H., Minamino, T., Imada, K.
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-26
• [Presentation] Direct observation of ring formation of the C-terminal cytoplasmic domain of a flagellar type III export gate protein FlhA by high-speed atomic force microscopy. (2016)
  • Author(s): Minamino, T., Terahara, N., Inoue, Y., Kodera, N., Ando, T., Namba, K.
  • Organizer: 4th Kanazawa Bio-AFM Workshop 2016
  • Place of Presentation: KKR ホテル金沢（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-10-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] バクテリアべん毛モーターの動的機能構造を支える分子基盤 (2016)
  • Author(s): 南野徹
  • Organizer: 蛋白研セミナー・第6回分子モーター討論会
  • Place of Presentation: 大阪大学蛋白質研究所（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2016-07-25
  • Invited
• [Presentation] バクテリアべん毛III型輸送システムの機能と構造. (2016)
  • Author(s): 南野徹
  • Organizer: 大阪大学微生物病研究所セミナー
  • Place of Presentation: 大阪大学微生物病研究所（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2016-07-05
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質輸送体の中に存在する、回転分子モーターによく似た複合体. Protein translocator resembling the FI-rotary motor. (2016)
  • Author(s): 寺島浩行, 川元晃大, 巽千夏, 難波啓一, 南野徹, 今田勝巳.
  • Organizer: 第16回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2016-06-09
• [Presentation] バクテリアべん毛フックの長さ制御におけるFlhAとFliH/FliI複合体の役割. (2016)
  • Author(s): 井上由美, 木下実紀, 難波啓一, 南野徹.
  • Organizer: 第13回21世紀大腸菌研究会
  • Place of Presentation: グリーンピア南阿蘇（熊本県阿蘇郡）
  • Year and Date: 2016-06-02
• [Presentation] バクテリアべん毛フック長制御蛋白質FliKの部位特異的in vivo光架橋実験. (2016)
  • Author(s): 木下実紀, 難波啓一, 南野徹.
  • Organizer: 第13回21世紀大腸菌研究会
  • Place of Presentation: グリーンピア南阿蘇（熊本県阿蘇郡）
  • Year and Date: 2016-06-02
• [Presentation] Energy transduction mechanism of bacterial flagellar type III protein export. (2016)
  • Author(s): Minamino, T.
  • Organizer: Type III secretion systems 2016
  • Place of Presentation: Tubingen, Germany
  • Year and Date: 2016-04-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Flagellar type III protein export in Salmonella and the roles of chaperones. (2016)
  • Author(s): Minamino, T.
  • Organizer: Joint SFB 900 and IRTG 1273 Seminar Series
  • Place of Presentation: Hannover Medical School, Hannover, Germany
  • Year and Date: 2016-04-01
  • Invited
• [Presentation] Coordinating flagellar type III protein export with assembly. (2016)
  • Author(s): Minamino, T.
  • Organizer: Helmholtz Centre Seminar
  • Place of Presentation: Helmholtz Centre for Infection Research, Helmholtz, Germany
  • Year and Date: 2016-03-30
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] べん毛タンパク質輸送ゲートを構成するFliPの機能構造解析. Structural and functional analysis of FliP as a component of the flagellar protein export gate. (2016)
  • Author(s): 福村拓真
  • Organizer: 2015年度べん毛研究交流会
  • Place of Presentation: 滝の湯（山形県天童市）
  • Year and Date: 2016-03-07
• [Presentation] べん毛モーター回転子リング複合体の動的機能構造. Molecular basis for dynamic structural properties of the C ring in the bacterial flagellar motor. (2016)
  • Author(s): 木下実紀
  • Organizer: 2015年度べん毛研究交流会
  • Place of Presentation: 滝の湯（山形県天童市）
  • Year and Date: 2016-03-06
• [Presentation] Molecular basis for dynamic structural properties of the C ring in the bacterial flagellar motor. (2016)
  • Author(s): Kihoshita, M., Furukawa, Y., Imada, K., Namba, K., Minamino, T.
  • Organizer: GRC on Sensory Transduction in Microorganisms
  • Place of Presentation: Ventura Beach Marriott, California, USA
  • Year and Date: 2016-01-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FliS chaperone contributes to efficient unfolding of flagellin subunit during protein translocation. (2016)
  • Author(s): Minamino, T., Furukawa, Y., Inoue, Y., Namba, K.
  • Organizer: GRC on Sensory Transduction in Microorganisms
  • Place of Presentation: Ventura Beach Marriott, California, USA
  • Year and Date: 2016-01-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamics of bacterial flagellar filament self-assembly. (2015)
  • Author(s): Abraham, A., Fukumura, T., Minamino, T., Namba, K.
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-15
• [Presentation] バクテリアFlgNシャペロンの機能構造スイッチの分子基盤. Molecular basis for a structural switch of FlgN that regulates its chaperone activity. (2015)
  • Author(s): Kinoshita, M., Nakanishi, Y., Furukawa, Y., Imada, K., Namba, K., Minamino, T.
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-15
• [Presentation] 反転膜ベクシルを用いたべん毛軸構造の構築. Construction of the flagellar axial structure using inverted membrane vesicles. (2015)
  • Author(s): Tatsumi, C., Terashima, H., Minamino, T., Imada, K.
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-15
• [Presentation] Structural characterization of FliP, a component of flagellar type III protein export apparatus. (2015)
  • Author(s): Fukumura, T., Makino, F., Kato, T., Imada, K., Namba, K., Minamino, T.
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-14
• [Presentation] FlhAとFliH/FliIとの相互作用がべん毛フックの構築順序を巧みに制御する. Role of the interaction between FlhA and the FliH-FliI complex in coordinating flagellar hook assembly. (2015)
  • Author(s): 井上由美, 木下実紀, 難波啓一, 南野徹.
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 細菌べん毛III型分泌装置のエネルギー変換メカニズム. An energy transduction mechanism of the bacterial flagellar type III secretion apparatus. (2015)
  • Author(s): Terashima, H., Kawamoto, A., Tatsumi, C., Minamino, T., Namba, K., Imada, K.
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 反転膜小胞を用いたIII型分泌装置のin vitroタンパク質輸送計測. (2015)
  • Author(s): 寺島浩行, 川本晃大, 巽千夏, 南野徹, 難波啓一, 今田勝巳.
  • 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] バクテリアFlgNシャペロンの機能構造スイッチの分子基盤. (2015)
  • Author(s): 木下実紀, 中西雄紀, 難波啓一, 今田勝巳, 南野徹.
  • 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] 反転膜ベクシルを用いたべん毛軸構造の構築. (2015)
  • Author(s): 巽千夏, 寺島浩行, 南野徹, 今田勝巳.
  • 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
• [Remarks]
  • URL: http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/jpn/general/lab/02/result/
• [Remarks] 大阪大学大学院生命機能研究科プロトニックナノマシン研究室 研究成果
  • URL: http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/jpn/general/lab/02/result/