バクテリアべん毛モーター反転制御装置の設計原理の解明

• Project Area: Information physics of living matters
• Project/Area Number: 20H05532
• 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): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 細菌 / 1分子計測（SMD） / 蛋白質 / 遺伝学 / 一分子計測（SMD) / 一分子計測（SMD）

Outline of Research at the Start

サルモネラ菌の運動器官であるべん毛は水素イオン流を回転力に変換する回転分子モーターである。べん毛モーターには反転制御装置が装備されているため、モーターは水素イオン流の向きを変えずに時計回りにも反時計回りにも回転し、その回転方向は環境中の化学物質に反応してミリ秒程度の短い時間でギアを切り替えるように瞬時に切り替わる。さらに、回転方向の切り替え頻度はべん毛モーターが発生する回転力にも依存する。本研究は、走化性シグナル感受性が変化したべん毛モーターのスイッチ頻度を定量的に計測し、当該領域計画班の理論グループの協力を得ることで、べん毛モーターの反転制御装置の設計原理の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本年度の主な成果は以下に示す。
1.CheY-PはFliMのN末天然変性領域に存在するLSQXEIDLLモチーフに強く結合し、その結果べん毛モーターの回転方向がスイッチする。べん毛モーターの回転方向がCCW方向にバイアスされるfliM(D39M)およびfliM(Q39M)変異体を単離し解析した結果、CheY-PによるLSQXEIDLLモチーフを含む天然変性領域の構造変化により、べん毛モーターの反転制御装置であるCリングの構造変化が誘起されることが示唆された。さらに、CheY-PがCリング構成蛋白質であるFliNに存在する結合サイトに結合することにより、Cリングの全体構造がCCWからCWの状態にスイッチに重要であることが示唆された。
2.回転子であるMSリングの構造解析を行なった結果、34分子のサブユニットが2つの異なる構造で集合してMSリングを形成していること、その結果、MSリングの内部には34回、23回、11回の回転対称構造があることが明らかとなった。さらに、FliGリングも34分子のサブユニットで構成されていることが判明した。
3.クライオ電子顕微鏡を用いて軸受として働くLPリング複合体の分子構造を3.5Å分解能で解析した結果、LPリングが回転軸との間の静電引力と静電反発力をバランスよくもちいて摩擦によるエネルギー散逸を最小化していることが明らかとなった。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ユタ大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ユタ大学(米国)
• [Journal Article] Recent Advances in the Bacterial Flagellar Motor Study (2021)
  • Author(s): Minamino Tohru、Namba Keiichi
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 11 Issue: 5 Pages: 741-741
  • DOI: 10.3390/biom11050741
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Native flagellar MS ring is formed by 34 subunits with 23-fold and 11-fold subsymmetries (2021)
  • Author(s): Kawamoto Akihiro、Miyata Tomoko、Makino Fumiaki、Kinoshita Miki、Minamino Tohru、Imada Katsumi、Kato Takayuki、Namba Keiichi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 4223-4223
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24507-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure of the molecular bushing of the bacterial flagellar motor (2021)
  • Author(s): Yamaguchi Tomoko、Makino Fumiaki、Miyata Tomoko、Minamino Tohru、Kato Takayuki、Namba Keiichi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 4469-4469
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24715-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Architecture and assembly of the bacterial flagellar motor complex. (2021)
  • Author(s): Morimoto, YV, Minamino T.
  • Journal Title: Subcell. Biochem. Volume: 96 Pages: 297-321
  • DOI: 10.1007/978-3-030-58971-4_8
  • ISBN: 9783030589707, 9783030589714
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two distinct conformations in 34 FliF subunits generate three different symmetries within the flagellar MS-ring (2021)
  • Author(s): Takekawa N, Kawamoto A, Sakuma M, Kato T, Kojima S, Kinoshita M, Minamino T, Namba K, Homma M, Imada K.
  • Journal Title: mBio Volume: 12 Issue: 2
  • DOI: 10.1128/mbio.03199-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] GFP fusion to the N-terminus of MotB affects the proton channel activity of the bacterial flagellar motor in Salmonella. (2020)
  • Author(s): Morimoto YV, Namba K, Minamino T.
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 10 Issue: 9 Pages: 1255-1255
  • DOI: 10.3390/biom10091255
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic exchange of two types of stator units in Bacillus subtilis flagellar motor in response to environmental changes (2020)
  • Author(s): Terahara N, Namba K, Minamino T.
  • Journal Title: Computational and Structural Biotechnology Journal Volume: 18 Pages: 2897-2907
  • DOI: 10.1016/j.csbj.2020.10.009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] べん毛モーターの軸受けはどのようにして軸周りに構築されるのか？ (2022)
  • Author(s): 山口智子, 牧野文信, 宮田知子, 南野徹, 加藤貴之, 難波啓一
  • Organizer: 2021年度べん毛研究交流会
• [Presentation] バクテリアべん毛モーターの回転スイッチ機構 (2022)
  • Author(s): 南野徹, 木下実紀, 難波啓一
  • Organizer: 2021年度べん毛研究交流会
• [Presentation] Insight into cooperative structural remodeling of the flagellar rotor ring complex responsible for directional switching (2021)
  • Author(s): 南野徹, 木下実紀, 難波啓一
  • Organizer: 日本生物物理学会
• [Presentation] 滑らかに回転するバクテリアべん毛モーターの軸-軸受け相互作用を立体構造から紐解く (2021)
  • Author(s): 山口智子, 牧野文信, 宮田知子, 南野徹, 加藤貴之, 難波啓一
  • Organizer: 日本生物物理学会
• [Presentation] Bacillus subtilis 由来べん毛固定子蛋白質MotS のナトリウム依存的構造変化 (2021)
  • Author(s): 上堀まりあ, 山口綾香, 竹川亘宏, 南野徹, 今田勝巳
  • Organizer: 日本生物物理学会
• [Book] Perspectives on bacterial flagellar motor (2021)
  • Author(s): Minamino T, Namba K
  • Total Pages: 356
  • Publisher: Biomolecules
  • ISBN: 9783036513379
• [Remarks]
  • URL: https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/2ce577c0931a0530.html
• [Remarks]
  • URL: https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/2ce577c0931a0530.html