毛上皮形成における亜鉛シグナル伝達蛋白質群機能制御カスケードの構造生物学的解明

• Project Area: Structural basis of cell-signalling complexes mediating signal perception, transduction and responses
• Project/Area Number: 25121704
• 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: Ibaraki University
• Principal Investigator: 海野 昌喜 茨城大学, 理工学研究科, 教授 (10359549)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2014: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2013: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
• Keywords: 毛髪 / シトルリン / 基質特異性 / 翻訳後修飾 / 構造変化 / 複合体構造 / X線 / 脱イミノ化 / アイソザイム / PAD

Outline of Annual Research Achievements

S100A3は、毛髪表層のキューティクル細胞に多量に含まれ、脱イミノ化酵素（peptidylarginine deiminase: 以下PAD）によって、アルギニン残基がシトルリン残基に転換される。ヒトには5種類のPADアイソザイム（PAD1～4, PAD6）が存在し、そのうちのPAD3はヒトキューティクル細胞にのみ多量発現している。PAD3はS100A3のArg51を選択的にシトルリン化する。Arg51がシトルリン化したS100A3はホモ二量体から四量体に構造変化を起こし、その過程でS100A3のCa2+とZn2+に対する親和性が飛躍的に高まる事などが報告されていた。また、同様に毛髪に発現しているPAD1, PAD2は、試験管内では、S100A3の全てのアルギニン（Arg3, Arg22, Arg51, Arg77）をシトルリン化する。前年までの研究の結果、PAD3がPAD4と類似した二量体構造を形成していることが明らかになっていたが、PAD1の結晶構造では、PAD3, PAD4とは異なる二量体を形成しているか、あるいは、単量体で機能しているのではないか、ということが示唆されていた。
本年度は、主に基質結合型のPAD3の構造解析と、基質特異性の異なるPAD1の溶液構造解析を行った。PAD3はC646A変異体が基質を結合することを確かめたが、結晶構造では得られなかった。だが、2.2Å分解能の基質非結合型の構造を得るに至っている。PAD1に関してはX線小角散乱実験で、溶液中では単量体で存在していることを強く示唆する結果を得た。その結果から、二量体の成り立ち方は、基質特異性に影響を与えることを提唱したいが、ごく最近になり、アイソザイムであるPAD2の構造が発表され、我々の説では説明できない結果になっていたため、今後のさらなる研究が必要な状況である。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Crystallization and preliminary X-ray crystallographic analysis of human peptidylarginine deiminase type I (2013)
  • Author(s): Unno, M., Kinjo, S., Kizawa, K., Takahara, H.
  • Journal Title: Acta Crystallogr. Sect. F Struct Biol Cryst Commun. Volume: 69 Issue: 12 Pages: 1357-1359
  • DOI: 10.1107/s1744309113028704
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Human S100A3 tetramerization propagates Ca(2+)/Zn(2+) binding states (2013)
  • Author(s): Kizawa, K., Jinbo, Y., Inoue, T., Takahara, H., Unno, M., Heizmann, C. W., Izumi, Y.
  • Journal Title: Biochim. Biopys. Acta Volume: 1833 Issue: 7 Pages: 1712-1719
  • DOI: 10.1016/j.bbamcr.2012.07.009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Purification and Characterization of the Human Cysteine-Rich S100A3 Protein and Its Pseudo Citrullinated Forms Expressed in Insect Cells. (2013)
  • Author(s): Kizawa, K., Unno, M., Takahara, H., Heizmann C.W.
  • Journal Title: Methods Mol. Biol. Volume: 963 Pages: 73-86
  • DOI: 10.1007/978-1-62703-230-8_5
  • ISBN: 9781627032292, 9781627032308
• [Presentation] 蛋白質脱イミノ化酵素PADの全体構造と基質特異性の関係 (2015)
  • Author(s): 永井杏奈、眞下隆太朗、秋元恵、西條慎也、清水伸隆、木澤謙司、高原英成、海野昌喜
  • Organizer: 第3回物構研サイエンスフェスタ
  • Place of Presentation: つくば
  • Year and Date: 2015-03-17
• [Presentation] 髪内亜鉛・カルシウム恒常性維持蛋白質群の構造生物学的研究 (2015)
  • Author(s): 海野昌喜
  • Organizer: 分子研研究会「生物無機化学の最先端と今後の展望：金属と生体分子の作用機序解明とモデル化および応用への展開」
  • Place of Presentation: 岡崎
  • Year and Date: 2015-01-06
• [Presentation] 毛髪内タンパク質脱イミノ化酵素PADアイソザイムの溶液構造に関する研究 (2014)
  • Author(s): 眞下隆太朗、秋元恵、西條慎也、清水伸隆、佐藤優花里、千田俊哉、木澤謙司、高原英成、海野昌喜
  • Organizer: 日本化学会茨城地区懇談
  • Place of Presentation: ひたちなか
  • Year and Date: 2014-10-31
• [Presentation] 毛髪内タンパク質脱イミノ化酵素PAD3の構造機能相関研究 (2014)
  • Author(s): 秋元恵、石原真樹子、木澤謙司、高原英成、海野昌喜
  • Organizer: 日本化学会茨城地区懇談会
  • Place of Presentation: ひたちなか
  • Year and Date: 2014-10-31
• [Presentation] Structural Biology for the Zinc Signal Trunsduction Mechanism by S100A3-PAD3 in Hair Cuticular Cells (2014)
  • Author(s): Masaki UNNO, Kenji KIZAWA, Ryutaro MASHIMO, Shinya SAIJO, Nobutaka SHIMIZU, Megumi AKIMOTO, Hidenari TAKAHARA
  • Organizer: 日本生物物理学会第52回年会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2014-09-26
  • Invited
• [Presentation] 毛髪キューティクル内Ca2+恒常性維持蛋白質群の構造生物学 (2014)
  • Author(s): 海野昌喜
  • Organizer: 分子機能解明のための結晶学の利用（分子連関相乗系研究部門 ミニ研究会）
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-08-30
  • Invited
• [Presentation] Two crystal forms of peptidylarginine deiminase type III (PAD3) (2014)
  • Author(s): Megumi Akimoto, Makiko Ishihara, Kenji Kizawa, Hidenari Takahara, Masaki Unno
  • Organizer: 23rd Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography
  • Place of Presentation: Montreal
  • Year and Date: 2014-08-11
• [Presentation] 毛髪内タンパク質脱イミノ化酵素アイソザイムの構造解析 (2014)
  • Author(s): 眞下隆太朗、秋元恵、西條慎也、清水伸隆、佐藤優花里、千田俊哉、木澤謙司、高原英成、海野昌喜
  • Organizer: 第14回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2014-06-26
• [Presentation] 毛髪内蛋白質脱イミノ化酵素PADアイソザイムの構造解析 (2014)
  • Author(s): 眞下隆太朗、秋元恵、西條慎也、清水伸隆、佐藤優花里、千田俊哉、木澤謙司、高原英成、海野昌喜
  • Organizer: 平成26年度 日本生化学会関東支部例会
  • Place of Presentation: 水戸
  • Year and Date: 2014-06-14
• [Presentation] 構造生物学的解析で迫る毛髪キューティクル内のS100A3タンパク質翻訳後修飾 (2014)
  • Author(s): 海野昌喜
  • Organizer: 平成26年度 日本生化学会関東支部例会
  • Place of Presentation: 水戸
  • Year and Date: 2014-06-14
  • Invited
• [Presentation] 毛髪キューティクル内の蛋白質の構造生物学 (2014)
  • Author(s): 海野昌喜
  • Organizer: 第四回「量子ビームを用いた材料・生体の構造と機能の研究」成果報告会
  • Place of Presentation: 東海村
• [Presentation] ヒト毛髪内蛋白質脱イミノ化酵素PAD3(C646A)の基質複合体の構造解析に向けて (2013)
  • Author(s): 秋元恵、石原真樹子、木澤謙司、高原英成、海野昌喜
  • Organizer: 平成25年度日本結晶学会年会
  • Place of Presentation: 熊本
• [Presentation] 毛髪キューティクル細胞内のCa(2+), Zn(2+)恒常性維持に関連する蛋白質群の構造生物学的研究 (2013)
  • Author(s): 海野昌喜、木澤謙司、秋元恵、金城沙弥、Claus W. Heizmann、高原英成
  • Organizer: 日本生化学会第86回大会
  • Place of Presentation: 横浜
• [Presentation] 毛髪キューティクル内Ca(2+), Zn(2+)恒常性維持のための蛋白質翻訳後修飾制御機構の解明へ向けて (2013)
  • Author(s): 海野昌喜
  • Organizer: 日本生物物理学会北海道支部講演会
  • Place of Presentation: 札幌
• [Presentation] Structural biology of peptidylarginine deiminases and their substrate S100A3 protein in human hair cuticle (2013)
  • Author(s): Unno, M., Kizawa, K., Akimoto, M., Kinjo, S., Heizmann, C.W., Takahara, H.
  • Organizer: Structural Life Science, 7th International Conference on Structural Genomics (ICSG2013-SLS)
  • Place of Presentation: Sapporo
• [Presentation] ヒト毛髪内キューティクルに発現するタンパク質脱イミノ化酵素peptidylarginine deiminase III型アイソザイム（PAD3）の精製・結晶化・構造解析 (2013)
  • Author(s): 秋元恵、高原英成、木澤謙司、石原真樹子、海野昌喜
  • Organizer: 第13回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 鳥取
• [Presentation] Calcium-dependent deimination, followed by zinc-involved tetramerization of S100A3 during the trichocytic differentiation (2013)
  • Author(s): Kizawa, K., Unno, M., Heizmann, C.W., Takahara, H.
  • Organizer: International Investigative Dermatology
  • Place of Presentation: EDINBURGH, U.K.
• [Remarks] 茨城大学大学院理工学研究科 海野昌喜
  • URL: http://info.ibaraki.ac.jp/Profiles/19/0001860/profile.html
• [Remarks] 海野昌喜研究室
  • URL: http://www.fas.ibaraki.ac.jp/?page_id=827
• [Remarks] 茨城大学研究者総覧
  • URL: http://info.ibaraki.ac.jp/Profiles/19/0001860/profile.html
• [Remarks] 研究室HP
  • URL: http://www.fas.ibaraki.ac.jp/?page_id=827