2015 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。平成２７年度は以下の成果が得られた。
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して、我々が3年前に発見した光駆動ナトリウムポンプを挙げることができる。今年度、結晶構造を決定し、輸送モデルを提唱することができた。Nature誌にArticleとして掲載した本論文中では、構造解析だけに留まらず、光駆動カリウムポンプの創成にも成功している。カリウムポンプの創成は、イオン選択性フィルターが細胞質側表面に存在することを明らかにする過程で実現したのであるが、その研究をさらに推進した結果、より大きなルビジウムやセシウムイオンをポンプするタンパク質の創成にも成功した。セシウムイオンを光によって輸送できるシステムは世の中に存在しなかったため、放射性セシウム回収につながる基盤技術の開発として注目され、多くの新聞で報道された。
光駆動プロトン・ナトリウム・クロライドポンプの間の機能転換についても、限られた変異導入により3通りの機能転換に成功した。一方、残る3通りは実現せず、非対称な機能転換がタンパク質の進化と関係する可能性を論文発表することができた。
フラビンタンパク質研究においては2種類のDNA光回復酵素の機能転換を試みた結果、同様に機能転換は非対称になることがわかった。
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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
Nature誌に発表した論文中では、構造決定だけに留まらず、機能解析と合わせた輸送モデルの提案、光遺伝学応用の達成に加えて、光駆動カリウムポンプの創成を実現した。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が、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。この方向の研究をさらに進めて実現した光駆動セシウムポンプの創成は、放射性セシウムの回収という全くことなる発想からの応用につながる研究として評価されており、当初の計画以上の成果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、実際に理研の田原グループとの共同研究論文を発表することができた。
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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を期間の前半で達成することができたため、今後はメカニズムを解明したいと考えている。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。
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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] 光で陽イオンを運ぶ2016
Author(s)
神取秀樹
Organizer
理化学研究所「分子システム研究」研究報告会
Place of Presentation
和光
Year and Date
2016-02-03 – 2016-02-03
Invited
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[Presentation] Functional conversion of CPD and (6-4) photolyases by mutation2015
Author(s)
D. Yamada, H. M. Dokainish, T. Iwata, J. Yamamoto, T. Ishikawa, T. Todo, S. Iwai, E. D. Getzoff, A. Kitao, H. Kandori
Organizer
The 53rd Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
Place of Presentation
Kanazawa, Japan
Year and Date
2015-09-13 – 2015-09-15
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[Presentation] Functional conversion between photolyases by mutation2015
Author(s)
D. Yamada, T. Iwata, J. Yamamoto, T. Ishikawa, T. Todo, S. Iwai, E. D. Getzoff, H. Kandori
Organizer
The 3rd Awaji International Workshop on "Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications"
Place of Presentation
Awaji Island, Japan
Year and Date
2015-06-14 – 2015-06-17
Int'l Joint Research
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