Structural Dynamical Ordering in Non-envelope Virus

• Project Area: Dynamical ordering of biomolecular systems for creation of integrated functions
• Project/Area Number: 16H00786
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Institute for Physiological Sciences
• Principal Investigator: 村田 和義 生理学研究所, 脳機能計測・支援センター, 准教授 (20311201)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2017: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2016: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: ウイルス / 電子顕微鏡 / タンパク質 / 構造 / 自己組織化

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではロタ、サポ、ノロウイルスなどの無エンベロープウイルスが、どのような動的秩序に従って一定のウイルスゲノムを正確に格納し、同一のウイルス粒子を形成して行くのかを、最先端の電子顕微鏡技術を用いた構造解析から明らかにする。そして、生体分子における新しい自己組織化のモデルを見出す。
１）細胞内で形成されるロタウイルスの電子線トモグラフィー構造解析を行い、各形成段階における粒子の構造を明らかにした。まず、ウイルス形成初期において本ウイルスが持つ11本のRNAセグメントの構造が維持されていることがわかった。次に、ウイルスゲノムを覆うキャプシドは細胞質の異なる場所で３段階の過程を経て最終的に形成されることがわかった。
２）サポおよびマウスノロウイルス粒子の高分解能低温電子顕微鏡像を撮影し、単粒子解析によってキャプシドの原子構造を決定した。また、その他の同属のウイルスとの構造比較、遺伝子型が異なる粒子との構造比較を行い、無エンベロープウイルスの動的秩序を明らかにした。サポおよびマウスノロウイルスのキャプシド（殻）は、内側（Sドメイン）がウイルスゲノムを保護するために強靭な構造を形成し、外側の突出した領域（Pドメイン）では、わずかな遺伝子変異で多様な感染性を生むことのできる柔軟な構造を形成していた。また、SドメインとPドメインのそれぞれは、互いに隣接分子と相互作用することで安定なウイルス粒子構造を維持していた。そして、その相互作用部位を変化させることによって、容易に構造を大きく変えられるということもわかった。
以上の結果から、ウイルス粒子形成における自己組織化の新たなモデルが構築できるとともに、その知見を疫学や創薬に応用できればと考えている。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ウプサラ大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] ベイラー医科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] グラスゴー大学(英国)
• [Int'l Joint Research] ベイラー医科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ウプサラ大学(スウェーデン)
• [Journal Article] Cryo-EM structure of a Marseilleviridae virus particle reveals a large internal microassembly (2018)
  • Author(s): Okamoto K, Miyazaki N, Reddy HKN., Hantke MF, Maia FRNC., Larsson DSD, Abergel C, Claverie JM, Hajdu J, Murata K, Svenda M
  • Journal Title: Virology Volume: 516 Pages: 239-245
  • DOI: 10.1016/j.virol.2018.01.021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 巨大ウイルスの構造解析：クライオ電子顕微鏡の新たな挑戦，特集「クライオ電子顕微鏡で見えた生命のかたちとしくみ」 (2018)
  • Author(s): 岡本健太，村田和義
  • Journal Title: 実験医学 Volume: 36 Pages: 1344-1348
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cryo-electron Microscopy for Structural Analysis ofDynamic Biological Macromolecules (2018)
  • Author(s): ソン チホン, 村田 和義
  • Journal Title: Journal of Computer Chemistry, Japan Volume: 17 Issue: 1 Pages: 38-45
  • DOI: 10.2477/jccj.2018-0007
  • NAID: 130006549640
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural variability and complexity of the giant Pithovirus sibericum particle revealed by high-voltage electron cryo-tomography and energy-filtered electron cryo-microscopy (2017)
  • Author(s): Okamoto K, Miyazaki N, Song C, Maia FRNC, Reddy HKN, Abergel C, Claverie J-M, Hajdu J, Svenda M, Murata K
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1 Pages: 13291-13291
  • DOI: 10.1038/s41598-017-13390-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cryo-electron microscopy for structural analysis of dynamic biological macromolecules (2017)
  • Author(s): Murata K, Wolf M
  • Journal Title: Biochim Biophys Acta Volume: 1862(2) Issue: 2 Pages: 324-334
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2017.07.020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Vesivirus 2117 capsids more closely resemble sapovirus and lagovirus particles than other known vesivirus structures (2017)
  • Author(s): Conley M, Emmott E, Orton R, Taylor D, Carneiro DG, Murata K, Goodfellow IG, Hansman GS, Bhella D
  • Journal Title: Journal of General Virology Volume: 98 Issue: 1 Pages: 68-76
  • DOI: 10.1099/jgv.0.000658
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Visualizing Adsorption of Cyanophage P-SSP7 onto Marine Prochlorococcus (2017)
  • Author(s): Murata K, Zhang Q, Gerardo Galaz-Montoya J, Fu C, Coleman ML, Osburne MS, Schmid MF, Sullivan MB, Chisholm SW, Chiu W
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1 Pages: 44176-44176
  • DOI: 10.1038/srep44176
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ノロウイルス研究の最新知見 (2017)
  • Author(s): 片山和彦、芳賀 慧、藤本 陽、戸田玲子、村上耕介、村田和義、中西 章
  • Journal Title: 感染制御と予防衛生 Volume: 1 Pages: 4-11
• [Journal Article] Functional receptor molecules CD300lf and CD300ld within the CD300 family enable murine noroviruses to infect cells (2016)
  • Author(s): Haga K, Fujimoto A, Takai-Todaka R , Miki M, Doan YH, Murakami K, Yokoyama M, Murata K, Nakanishi A, & Katayama K
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci USA Volume: 113 Issue: 41
  • DOI: 10.1073/pnas.1605575113
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The infectious particle of insectborne totivirus-like Omono River virus has raised ridges and lacks fibre complexes (2016)
  • Author(s): Okamoto K, Miyazaki N, Larsson DS, Kobayashi D, Svenda M, Mhlig K, Maia FR, Gunn LH, Isawa H, Kobayashi M, Sawabe K, Murata K, & Hajdu J
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 6 Issue: 1 Pages: 33170-33170
  • DOI: 10.1038/srep33170
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] STRUCTURAL ANALYSES OF MURINE NOROVIRUS BY SINGLE PARTICLE CRYO-ELECTRON MICROSCOPY (2017)
  • Author(s): Chihong Song, Motohiro Miki, Reiko Todaka, Kei Haga, Akira Fujimoto, Kazuhiko Katayama, Kazuyoshi Murata
  • Organizer: 新学術領域「動的秩序と機能」第5回国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京都目黒区 東京大学 数理科学研究棟
  • Year and Date: 2017-01-21
• [Presentation] The head structure of the Staphylococcus aureus phage S13’ at near atomic resolution by cryo-electron microscopy (2017)
  • Author(s): 宮崎 直幸, 内山 淳平, 松崎 茂展, 村田 和義, 岩崎 憲治
  • Organizer: 日本生物物理学会第55回年会
• [Presentation] Capsid Structure of Murine Norovirus S7 revealed by cryo-electron microscopy (2017)
  • Author(s): Chihong Song, Naoyuki Miyazaki, Kenji Iwasaki, Motohiro Miki, Reiko Takai-Todaka, Kei Haga, Akira Fujimoto, Kazuhiko Katayama, Kazuyoshi Murata
  • Organizer: 日本生物物理学会第55回年会
• [Presentation] Capsid Structure of Murine Norovirus S7 revealed by cryo-electron microscopy (2017)
  • Author(s): Chihong Song, Naoyuki Miyazaki, Kenji Iwasaki, Motohiro Miki, Reiko Takai-Todaka, Kei Haga, Akira Fujimoto, Kazuhiko Katayama, Kazuyoshi Murata
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第73回学術講演会
• [Presentation] Capsid Structure of Murine Norovirus S7 revealed by cryo-electron microscopy (2017)
  • Author(s): Chihong Song, Naoyuki Miyazaki, Kenji Iwasaki, Motohiro Miki, Reiko Takai-Todaka, Kei Haga, Akira Fujimoto, Kazuhiko Katayama, Kazuyoshi Murata
  • Organizer: 医学生物学電子顕微鏡技術研究会第33回学術講演会
• [Presentation] クライオ電子顕微鏡による生体分子の構造解析 (2017)
  • Author(s): 村田和義
  • Organizer: 医学生物学電子顕微鏡技術研究会第33回学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Structural Analyses of Murine Norovirus VLPs by Cryo-Electron Microscopy Single Particle Analysis (2016)
  • Author(s): Chihong Song, Motohiro Miki, Reiko Todaka, Kazuhiko Katayama, Kazuyoshi Murata
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会大会
  • Place of Presentation: 茨城県つくば市 つくば国際会議場
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] クライオ電子顕微鏡単粒子解析によるマウスノロウイルスの構造解析 (2016)
  • Author(s): Song Chihong、片山和彦，村田和義
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第72回学術講演会
  • Place of Presentation: 宮城県仙台市 仙台国際センター
  • Year and Date: 2016-06-14
• [Book] ライフサイエンス顕微鏡学ハンドブック[超高圧電子顕微鏡] (2018)
  • Author(s): 山科正平・高田邦昭 責任編集 / 牛木辰男 ・臼倉治郎 ・岡部繁男 ・高松哲郎 ・寺川進 ・藤本豊士 編 / 村田和義 他 著
  • Total Pages: 344
  • Publisher: 朝倉書店
  • ISBN: 9784254310948
• [Remarks] クライオ電子顕微鏡によるマルセイユ科巨大ウイルスの構造解析
  • URL: http://www.nips.ac.jp/nips_research/2018/02/post_208.html
• [Remarks] ノロなどのカリシウイルスに見られる属を越えた構造の多様性を発見
  • URL: http://www.nips.ac.jp/nips_research/2017/07/post_180.html
• [Remarks] シアノファージが宿主のシアノバクテリアに吸着・感染する瞬間をクライオ電子顕微鏡で可視化
  • URL: http://www.nips.ac.jp/nips_research/2017/03/post_161.html
• [Remarks] 世界最大のウイルス「ピソウイルス」の詳細な構造を低温電子顕微鏡で解析
  • URL: http://www.nips.ac.jp/release/2017/11/post_352.html