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Analysis of the effects of crowded environment and shear force to proteins using Rheo-NMR

Publicly Offered Research

Project AreaChemical Approaches for Miscellaneous / Crowding Live Systems
Project/Area Number 18H04551
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

菅瀬 謙治  京都大学, 工学研究科, 准教授 (00300822)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2020-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2018: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Keywords細胞内夾雑環境 / タンパク質 / 安定化/不安定化 / アミロイド線維化 / ATP / NMR / Rheo-NMR / 夾雑環境 / 剪断力 / 安定性 / 細胞抽出液
Outline of Annual Research Achievements

申請者は、夾雑環境と剪断流がタンパク質の安定性に及ぼす影響を研究した。まず、バッファー中と夾雑環境におけるSOD1の立体構造を、NMRを用いて決定したが両者にあまり差はなかった。一方、ミリ秒オーダーのダイナミクスがバッファーと夾雑環境で大きく異なり、夾雑環境の方が、構造ゆらぎが小さいことが分かった。続いて、Rheo-NMRを用いて剪断流によるSOD1のアミロイド線維化過程をリアルタイムにモニターした。剪断流によって天然状態のSOD1の化学シフトは変化しなかったが、アンフォールド状態のシグナルが新たに出現した。このことは、剪断流によってSOD1の天然状態の構造が歪むことなく瞬間的にアンフォールドしたことを意味する。同様なRheo-NMR測定を夾雑環境で行ったところ、SOD1がより速くアミロイド線維化した。
αシヌクレインやユビキチンとATPとの相互作用を解析した。50 μMのタンパク質にATPを滴定したところ、mMオーダーのATP濃度でようやくタンパク質のNMRシグナルの化学シフトがわずかに変化した。このことはATPとタンパク質の相互作用が極めて弱いことを意味する。また、タンパク質のアミドプロトンと水との交換速度を調べた結果、ATPがあると交換速度が非常に遅くなることが分かった。
剪断流によるヘキサユビキチンのアミロイド線維化と水和の関係について解析した結果、剪断流により速くシグナルが減少した領域はループや二次構造の端に集中していた。次にユビキチンの結晶構造を用いて結晶中の水も含めたまま溶媒接触可能表面積(SASA)を計算した。さらに結晶中の水を除去して再度SASAを計算し、両者の差ΔSASAを算出した。ΔSASAが大きい残基は水が外れると大きな空間ができる領域を表す。このΔSASAの大きい領域には剪断流によってシグナル強度が速く減衰するアミノ酸残基がほぼ全て含まれていた。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 6 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 2 results) Remarks (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Institute of Polymer Research(ドイツ)

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Journal Article] Pinpoint analysis of a protein in slow exchange using F1F2-selective ZZ-exchange spectroscopy: assignment and kinetic analysis.2020

    • Author(s)
      Mayu Nishizawa, Erik Walinda, Daichi Morimoto, Kenji Sugase
    • Journal Title

      Journal of Biomolecular NMR

      Volume: 0 Issue: 4-5 Pages: 0-0

    • DOI

      10.1007/s10858-020-00309-x

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Visualizing protein motion in Couette flow by all-atom molecular dynamics2020

    • Author(s)
      Walinda Erik、Morimoto Daichi、Shirakawa Masahiro、Scheler Ulrich、Sugase Kenji
    • Journal Title

      Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects

      Volume: 1864 Issue: 2 Pages: 129383-129383

    • DOI

      10.1016/j.bbagen.2019.06.006

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 生体分子レオロジーNMRの開発と応用2019

    • Author(s)
      森本 大智、菅瀬 謙治
    • Journal Title

      日本核磁気共鳴学会機関誌

      Volume: 10 Pages: 64-68

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 高感度Rheo-NMRによるアミロイド線維化過程のその場観察2019

    • Author(s)
      森本 大智、菅瀬 謙治
    • Journal Title

      月刊「細胞」

      Volume: 51 Pages: 32-36

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Overview of Relaxation Dispersion NMR Spectroscopy to Study Protein Dynamics and Protein-Ligand Interactions2018

    • Author(s)
      Walinda Erik、Morimoto Daichi、Sugase Kenji
    • Journal Title

      Current Protocols in Protein Science

      Volume: 92 Issue: 1

    • DOI

      10.1002/cpps.57

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Resolving biomolecular motion and interactions by R2 and R1ρ relaxation dispersion NMR2018

    • Author(s)
      Walinda Erik、Morimoto Daichi、Sugase Kenji
    • Journal Title

      Methods

      Volume: 148 Pages: 28-38

    • DOI

      10.1016/j.ymeth.2018.04.026

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      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] In situ Monitoring of Amyloid Fibril Formation Processes Using Rheo-NMR2019

    • Author(s)
      Kenji Sugase, Daichi Morimoto, Walinda Erik, Naoto Iwakawa, Akihiko Yamamoto, Ulrich Scheler
    • Organizer
      8th APNMR
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Amyloid formation of poly-ubiquitin chains investigated by biological rheo-NMR spectroscopy2019

    • Author(s)
      Daichi Morimoto
    • Organizer
      21st EUROMAR
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Elucidation of Fibrillation Mechanism of ALS-Related Protein SOD12019

    • Author(s)
      Kenji Sugase
    • Organizer
      IPR Seminar
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Elucidation of the Fibrillization Mechanism of an ALS-Related Protein SOD1 by Using Novel Rheo-NMR Spectroscopy2018

    • Author(s)
      Naoto Iwakawa
    • Organizer
      XXVIII International Conference on Magnetic Resonance in Biological Systems
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    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] Research Highlights

    • URL

      http://www.moleng.kyoto-u.ac.jp/~moleng_01/research.html

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Remarks] Publications

    • URL

      http://www.moleng.kyoto-u.ac.jp/~moleng_01/publications.html

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 剪断流を発生させる器具2019

    • Inventor(s)
      菅瀬謙治、森本大智、保科好秀
    • Industrial Property Rights Holder
      菅瀬謙治、森本大智、保科好秀
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2019-111013
    • Filing Date
      2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report

URL: 

Published: 2018-04-23   Modified: 2021-01-27  

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