2014 Fiscal Year Annual Research Report
光応答性タンパク質の機能転換が明らかにする柔らかな構造機能相関
| Project Area | Science on Function of Soft Molecular Systems by Cooperation of Theory and Experiment |
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| Project/Area Number |
25104009
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
神取 秀樹 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70202033)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
須藤 雄気 岡山大学, 医歯(薬)学総合研究科, 教授 (10452202)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 機能転換 / アミノ酸置換 / ロドプシン / イオンポンプ / フラビンタンパク質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多くの生体分子は共通の構造をもとに多彩な機能を演出しており、例えばロドプシンは共通の構造構築から光センサー、ポンプ、チャネル機能が発現する。進化の中で最適化された固有の機能は固有の構造によるものと考えられがちであるが、私たちはメカニズムを研究する中でロドプシンの機能を転換することにも成功してきた。このような機能転換の達成はタンパク質の構造と機能が柔軟に共役していることを示唆する。本研究課題において我々は、機能の創造をテーマとしてロドプシンやフラビンタンパク質など光応答性タンパク質を対象とした研究を行っている。
ロドプシン研究について、本領域がスタートする直前に海洋性細菌から光駆動ナトリウムポンプを発見した（Nature Commun. 2013）。新たな機能をもった分子を自然界から見出す代表的な例となった本タンパク質に対して、今年度は構造的な面からの研究を行った。その結果、低温赤外分光を用いた構造解析により、ナトリウムポンプ、プロトンポンプいずれの場合も、初期の構造変化は同一であることを明らかにした（J. Phys. Chem. B 2014）。さらに東大・濡木研との共同研究により光駆動ナトリウムポンプの結晶構造を決定、これをもとに輸送モデルを提唱した。平成２７年度になるがNature誌にArticleとして掲載される本論文中では、構造解析だけに留まらず、構造を基盤として光駆動カリウムポンプの創成にも成功している。
また変異体を用いて光駆動プロトンポンプからチャネルへの機能転換に成功したが、これはA03須藤雄気博士、A01林重彦博士との共同研究の成果である（J. Am. Chem. Soc. 2015）。
フラビンタンパク質研究においては、赤外分光解析を用いてDNA光回復酵素の構造解析を進めた。さらに2種類のDNA光回復酵素の機能転換を試みて興味深い結果を得ている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
光駆動ナトリウムポンプの構造決定は世界中の競争であったが、幸い我々日本のグループが酸性と中性の二状態で構造を決定することができ、これをもとに輸送モデルを提唱することができた。論文掲載は平成２７年度に入ってからであるが、論文がアクセプトされたのは平成２６年度中である。本論文で特に強調したいのは、構造決定を基盤とした光駆動カリウムポンプの創成である。本領域で私たちが目指しているのは、新しい機能をもったタンパク質を自然から見つけ出す一方、アミノ酸の変異を用いて新たなタンパク質の機能を創成することである。光駆動ナトリウムポンプの発見（Nature Commun. 2013）は前者の、光駆動カリウムポンプの創成（Nature 2015）は後者のハイライトと言うことができる。
光駆動ナトリウムポンプについては、領域内の共同研究も活発に行っており、すでに当新学術領域の看板となりつつある。さらに光駆動ナトリウムポンプや新たに創成した光駆動カリウムポンプは応用分野である光遺伝学でも大きな期待を集めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
計画は順調に進んでおり、この方向での研究を進める。特に、最も中心的な研究課題である光駆動イオンポンプやDNA光回復酵素の機能転換の研究を強力に推進したい。また国内、国際的な共同研究や連携も重要であり、積極的に進めたいと考えている。
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[Journal Article] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump2015
Author(s)
H. E. Kato, K. Inoue, R. Abe-Yoshizumi, Y. Kato, H. Ono, M. Konno, S. Hososhima, T. Ishizuka, M. R. Hoque, H. Kunitomo, J. Ito, S. Yoshizawa, K. Yamashita, M. Takemoto, T. Nishizawa, R. Taniguchi, K. Kogure, A. D. Maturana, Y. Iino, H. Yawo, R. Ishitani, H. Kandori*, O. Nureki
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Journal Title
Nature
Volume: 521
Pages: 48-53
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Functional conversion of (6-4) photolyase and CPD photolyase by mutation2014
Author(s)
D. Yamada, J. Yamamoto, I M. M. Wijaya, T. Suzuki, T. Iwata, T. Ishikawa, E. D. Getzoff, T. Todo, S. Iwai, H. Kandori
Organizer
16th International Conference on Retinal Proteins
Place of Presentation
Nagahama, Japan
Year and Date
2014-10-06 – 2014-10-06
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[Presentation] Functional conversion of (6-4) photolyase and CPD photolyase2014
Author(s)
D. Yamada, J. Yamamoto, T. Ishikawa, T. Suzuki, I M. M. Wijaya, T. Iwata, E. D. Getzoff, T. Todo, S. Iwai, H. Kandori
Organizer
The 52nd Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
Place of Presentation
Sapporo, Japan
Year and Date
2014-09-25 – 2014-09-25
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[Presentation] FTIR spectroscopy of the photoreaction of Arabidopsis Cryptochrome1 upon ATP binding2014
Author(s)
T. Suzuki, T. Iwata, I M. M. Wijaya, J. Yamamoto, T. Ishikawa, D. Yamada, E. D. Getzoff, T. Todo, S. Iwai, H. Kandori
Organizer
The 52nd Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
Place of Presentation
Sapporo, Japan
Year and Date
2014-09-25 – 2014-09-25
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[Presentation] Functional conversion of (6-4) photolyase into CPD photolyase by site-directed mutagenesis2014
Author(s)
D. Yamada, J. Yamamoto, T. Ishikawa, T. Suzuki, I M. M. Wijaya, T. Iwata, E. D. Getzoff, T. Todo, S. Iwai, H. Kandori
Organizer
The 2nd Awaji International Workshop on "Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications"
Place of Presentation
Awaji, Japan
Year and Date
2014-06-15 – 2014-06-15
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[Presentation] 光といのち2014
Author(s)
神取秀樹
Organizer
岡崎市ホタル学校
Place of Presentation
岡崎
Year and Date
2014-06-07 – 2014-06-07
Invited
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