X線結晶構造解析・核磁気共鳴法の融合によるキナーゼ複合体の動的立体構造解析

• Project Area: Structural basis of cell-signalling complexes mediating signal perception, transduction and responses
• Project/Area Number: 25121743
• 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: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 竹内 恒 独立行政法人産業技術総合研究所, 創薬分子プロファイリング研究センター, 主任研究員 (20581284)
• 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: 構造生物学 / キナーゼ / 複合体 / 立体構造解析 / X線結晶構造解析 / NMR

Outline of Annual Research Achievements

MAPK p38はドッキング配列を有するMK2などの基質をリン酸化することで、各種のストレス下における細胞応答を担う。これまでの研究でドッキング相互作用が基質リン酸化部位とは離れた位置で結合親和性を担うことは明らかであったが、ドッキング相互作用により活性中心での反応複合体の形成が自発的に誘起されるのか否かは明らかでなかった。そこで溶液NMR法を用いて、ドッキング配列とリン酸化部位を含むMK2由来のモデル基質とリン酸化された活性化状態のp38との結合を立体構造的に解析した。その結果、ATPなしの条件ではp38のドッキング部位のシグナルが顕著な化学シフト変化を示す一方、基質リン酸化部位周辺のシグナルはペプチド添加による影響を受けないことが判明した。このことはATPなしの条件ではドッキング相互作用は起こっているものの、基質リン酸化部位は活性中心に結合せず反応複合体が形成されていないことを示している。一方、ATP存在下で同様の実験を行うと、ドッキング部位のみならず基質リン酸化部位も化学シフト変化を示し、基質リン酸化部位は ATP 結合状態のp38の活性中心にのみ結合することが示された。よって、ドッキング相互作用は反応複合体の形成と等価ではなく、結合部位がより深い位置にあるATPの結合を優先させることで、反応複合体の形成効率を高めていると考えた。独自の研究で明らかにしていたドッキング相互作用によるATP親和性、反応速度のアロステリックな増大と考え合わせると、ドッキング配列を含む基質は広いATP濃度で優先的かつ安定的にリン酸化されることになる。ストレス条件下ではATP濃度が低下するなど生体分子の細胞内濃度大きく変化することが知られている。ドッキング配列によるアロステリックな活性増強は、ストレス刺激に伴いATP 濃度の低下する条件においても、p38シグナリングを維持する巧妙な機構である。

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] Allosteric enhancement of MAP kinase p38α's activity and substrate selectivity by docking interactions (2014)
  • Author(s): Tokunaga Y, Takeuchi K, Takahashi H, Shimada I
  • Journal Title: Nat Struct Mol Biol Volume: 21 Issue: 8 Pages: 704-711
  • DOI: 10.1038/nsmb.2861
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Functional dynamics of cell surface membrane proteins (2014)
  • Author(s): Nishida N, Osawa M, Takeuchi K, Imai S, Stampoulis P, Kofuku Y, Ueda T, Shimada I
  • Journal Title: J Magn Reson Volume: 241 Pages: 86-96
  • DOI: 10.1016/j.jmr.2013.11.007
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Degradation of activated K-Ras orthologue via K-Ras-specific lysine residues is required for cytokinesis. (2014)
  • Author(s): Sumita K, Yoshino H, Sasaki M, Majd N, Kahoud ER, Takahashi H, Takeuchi K, Kuroda T, Lee S, Charest PG, Takeda K, Asara JM, Firtel RA, Anastasiou D, Sasaki AT.
  • Journal Title: J Biol Chem Volume: 289 Issue: 7 Pages: 3950-9
  • DOI: 10.1074/jbc.m113.531178
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure-based approach to improve a small-molecule inhibitor by the use of a competitive peptide ligand. (2014)
  • Author(s): Ono K, Takeuchi K, Ueda H, Morita Y, Tanimura R, Shimada I, Takahashi H.
  • Journal Title: Angew Chem Int Ed Engl Volume: 53 Issue: 10 Pages: 2597-2597
  • DOI: 10.1002/anie.201310749
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Perdeuteration and methyl-selective (1)H, (13)C-labeling by using a Kluyveromyces lactis expression system (2013)
  • Author(s): Miyazawa-Onami M, Takeuchi K, Takano T, Sugiki T, Shimada I, Takahashi H.
  • Journal Title: J Biomol NMR Volume: 57 Issue: 3 Pages: 297-304
  • DOI: 10.1007/s10858-013-9789-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rapid identification of ligand-binding sites by using an assignment-free NMR approach (2013)
  • Author(s): Kodama Y, Takeuchi K, Shimba N, Ishikawa K, Suzuki E, Shimada I, Takahashi H.
  • Journal Title: J Med Chem Volume: 56 Issue: 22 Pages: 9342-9350
  • DOI: 10.1021/jm4014357
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 徳永 裕二,竹内 恒,高橋 栄夫,嶋田 一夫 (2014)
  • Author(s): MAPキナーゼ p38αのストレスシグナル伝達機構の解明
  • Organizer: 第53回NMR討論会
  • Place of Presentation: 大阪大学コンベンションセンター（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2014-11-04 – 2014-11-08
• [Presentation] 多剤耐性転写制御因子の運動性と薬剤認識機構のNMR解析 (2013)
  • Author(s): 竹内 恒、高橋 栄夫、嶋田 一夫
  • Organizer: 日本核磁気共鳴学会
  • Place of Presentation: 石川県立音楽堂（金沢市）
• [Book] 「揺らぎ・ダイナミクスと生体機能」第19章・第5項~第9項 (2013)
  • Author(s): 竹内恒、徳永裕二、嶋田一夫
  • Total Pages: 350
  • Publisher: 同人バイオサイエンス