Elucidation of higher-order structure of central dogma process by specific and extensive analyses of translational template nucleic acids

• Project Area: Nascent-chain Biology
• Project/Area Number: 17H05680
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 清水 義宏 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, ユニットリーダー (90401231)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2018: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2017: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 無細胞タンパク質合成 / リボソーム / 次世代シーケンス解析

Outline of Annual Research Achievements

細胞内外の多様な生命活動を支えるために、タンパク質は20種類もしくはそれ以上のアミノ酸で構成されるポリペプチド鎖からなる膨大な一次配列空間から適切な配列を選択し、多様な生体システムを形成している。こうした多様性を支えるためには、リボソームを中心としたタンパク質合成システムが多様な配列に対応できるような汎用性を備えていると考えられてきた。しかしながら、近年になって、こうしたタンパク質合成装置の高い汎用性に数多くの例外が存在すること、さらに、その例外が様々な生命活動において役割を担っていることが明らかにされており、核酸が持つ遺伝暗号がタンパク質のアミノ酸配列を規定しているという単純明快に見えたセントラルドグマで記述されるプロセスが、より複雑な階層構造を持ったシステムであることが示唆されている。本研究では、次世代シーケンサおよび再構成型無細胞タンパク質合成システムであるPURE systemを利用して、リボソームがmRNAの多様性に対して保持する一般性または特異性を包括的に解析し、セントラルドグマで記述されるプロセスにおける複雑な階層構造を定量的に記述することを目指した。これまでに、部位特異的にランダム化させた鋳型を用いた進化分子工学的アプローチによる選択系を用いて配列とタンパク質合成効率の相関の測定や、質量分析法を利用した1000種類強のペプチドの合成量を指標にした配列とペプチド合成量の相関を測定し、鋳型核酸配列とタンパク質合成効率の関係性を明らかにするいくつかのアプローチの構築に成功しており、データ解析によってタンパク質合成活性に高い影響を与える特徴的な配列の抽出を行うことが可能になった。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] High-resolution crystal structure of peptidyl-tRNA hydrolase from Thermus thermophiles (2019)
  • Author(s): Matsumoto A., Uehara Y., Shimizu Y., Ueda T., Uchiumi T., Ito K.
  • Journal Title: Proteins Volume: 87 Issue: 3 Pages: 226-235
  • DOI: 10.1002/prot.25643
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Live single cell mass spectrometry reveals cancer‐specific metabolic profiles of circulating tumor cells (2019)
  • Author(s): Abouleila Yasmine、Onidani Kaoru、Ali Ahmed、Shoji Hirokazu、Kawai Takayuki、Lim Chwee Teck、Kumar Vipin、Okaya Shinobu、Kato Ken、Hiyama Eiso、Yanagida Toshio、Masujima Tsutomu、Shimizu Yoshihiro、Honda Kazufumi
  • Journal Title: Cancer Science Volume: 110 Issue: 2 Pages: 697-706
  • DOI: 10.1111/cas.13915
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Single-Cell Screening of Tamoxifen Abundance and Effect Using Mass Spectrometry and Raman-Spectroscopy (2019)
  • Author(s): Ali Ahmed、Abouleila Yasmine、Shimizu Yoshihiro、Hiyama Eiso、Watanabe Tomonobu M.、Yanagida Toshio、Germond Arno
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 91 Issue: 4 Pages: 2710-2718
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.8b04393
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phosphorogenic and spontaneous formation of tris(bipyridine)ruthenium in peptide scaffolds (2019)
  • Author(s): Karimiavargani Marziyeh、Tada Seiichi、Minagawa Noriko、Shimizu Yoshihiro、Hirose Takuji、Ito Yoshihiro、Uzawa Takanori
  • Journal Title: Journal of Peptide Science Volume: 25 Issue: 4
  • DOI: 10.1002/psc.3158
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A three-dimensional single-cell-resolution whole-brain atlas using CUBIC-X expansion microscopy and tissue clearing (2018)
  • Author(s): Murakami Tatsuya C.、Mano Tomoyuki、Saikawa Shu、Horiguchi Shuhei A.、Shigeta Daichi、Baba Kousuke、Sekiya Hiroshi、Shimizu Yoshihiro、Tanaka Kenji F.、Kiyonari Hiroshi、Iino Masamitsu、Mochizuki Hideki、Tainaka Kazuki、Ueda Hiroki R.
  • Journal Title: Nat Neurosci Volume: 21 Issue: 4 Pages: 627-637
  • DOI: 10.1038/s41593-018-0109-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantitative Characterization of Translational Riboregulators Using an in Vitro Transcription?Translation System (2018)
  • Author(s): Senoussi Anis、Lee Tin Wah Jonathan、Shimizu Yoshihiro、Robert J?r?me、Jaramillo Alfonso、Findeiss Sven、Axmann Ilka M.、Estevez-Torres Andr?
  • Journal Title: ACS Synthetic Biology Volume: 7 Issue: 5 Pages: 1269-1278
  • DOI: 10.1021/acssynbio.7b00387
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cell-free synthesis of stable isotope-labeled internal standards for targeted quantitative proteomics (2018)
  • Author(s): Narumi Ryohei、Masuda Keiko、Tomonaga Takeshi、Adachi Jun、Ueda Hiroki R.、Shimizu Yoshihiro
  • Journal Title: Synthetic and Systems Biotechnology Volume: 3 Issue: 2 Pages: 97-104
  • DOI: 10.1016/j.synbio.2018.02.004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Robustness of a Reconstituted Escherichia coli Protein Translation System Analyzed by Computational Modeling (2018)
  • Author(s): Matsuura Tomoaki、Hosoda Kazufumi、Shimizu Yoshihiro
  • Journal Title: ACS Synthetic Biology Volume: 7 Issue: 8 Pages: 1964-1972
  • DOI: 10.1021/acssynbio.8b00228
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reconstitution of 30S ribosomal subunits in vitro using ribosome biogenesis factors (2018)
  • Author(s): Tamaru Daichi、Amikura Kazuaki、Shimizu Yoshihiro、Nierhaus Knud H.、Ueda Takuya
  • Journal Title: RNA Volume: 24 Issue: 11 Pages: 1512-1519
  • DOI: 10.1261/rna.065615.118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chemical Landscape for Tissue Clearing Based on Hydrophilic Reagents. (2018)
  • Author(s): Tainaka K, Murakami TC, Susaki EA, Shimizu C, Saito R, Takahashi K, Hayashi-Takagi A, Sekiya H, Arima Y, Nojima S, Ikemura M, Ushiku T, Shimizu Y, Murakami M, Tanaka KF, Iino M, Kasai H, Sasaoka T, Kobayashi K, Miyazono K, Morii E, Isa T, Fukayama M, Kakita A, Ueda HR.
  • Journal Title: Cell Rep. Volume: 24 Issue: 8 Pages: 2196-2210
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2018.07.056
  • NAID: 120006542018
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] G-Protein Coupled Receptor Protein Synthesis on a Lipid Bilayer Using a Reconstituted Cell-Free Protein Synthesis System (2018)
  • Author(s): Gessesse Belay、Nagaike Takashi、Nagata Koji、Shimizu Yoshihiro、Ueda Takuya
  • Journal Title: Life Volume: 8 Issue: 4 Pages: 54-54
  • DOI: 10.3390/life8040054
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Protein Absolute Quantification Using Cell-Free-Synthesized Peptide (2017)
  • Author(s): Ryohei Narumi, Yoshihiro Shimizu, Hiroki R. Ueda
  • Journal Title: Proteome Letters Volume: 2 Pages: 75-82
  • NAID: 130006743386
  • Open Access
• [Presentation] Functional and structural analysis of cell-free synthesized membrane proteins (2019)
  • Author(s): Belay Gessesse, Takuya Ueda, Yoshihiro Shimizu
  • Organizer: 63rd Annual Meeting of the Biophysical Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interaction analysis of mRNA sequence and ribosome during translation initiation using next generation sequencer (2018)
  • Author(s): Yoshihiro Shimizu
  • Organizer: International Symposium on "Proteins; from the Cradle to the Grave"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 無細胞合成ペプチドを利用した定量プロテオミクスへの展開 (2018)
  • Author(s): 清水義宏
  • Organizer: 第5回Ribosome Meeting
• [Presentation] 生体膜上の生物化学における無細胞タンパク質合成システムの利用 (2018)
  • Author(s): 清水義宏
  • Organizer: 大阪大学蛋白質研究所セミナー 生体膜上の生物化学2018
  • Invited
• [Presentation] Elucidation of higher-order stucture in central dogma pathways by large-scale analyses of mRNA sequences (2017)
  • Author(s): Yoshihiro Shimizu
  • Organizer: International Symposium on Protein Quality Control
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 鋳型核酸の部位特異的大規模解析によるセントラルドグマが持つ高次性の解析 (2017)
  • Author(s): 清水義宏
  • Organizer: 新学術領域研究「新生鎖の生物学」平成29年度第一回班会議
• [Presentation] Synthetic and systems biological application of the PURE system (2017)
  • Author(s): Yoshihiro Shimizu
  • Organizer: Workshop on Cell-free synthetic biology of artificial cells
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 特定のtRNAを抜く ～ よりコントローラブルなPURE systemにむけて (2017)
  • Author(s): 佐藤文, 清水義宏
  • Organizer: 第12回無細胞生命科学研究会