タンパク質分泌システムの活写

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Novel measurement techniques for visualizing 'live' protein molecules at work
• Project/Area Number: 26119007
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 塚崎 智也 奈良先端科学技術大学院大学, バイオサイエンス研究科, 准教授 (80436716)
• Project Period (FY): 2014-07-10 – 2019-03-31
• Keywords: 蛋白質 / 膜透過 / SecYEG / トランスロコン / 構造生命科学 / 膜蛋白質 / Sec / 蛋白質膜透過

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、生育に必須のメカニズムであるSecトランスロコンを介したタンパク質の分泌過程に焦点をあてている。タンパク質の分泌過程において、タンパク質という巨大なものを輸送させるためSecタンパク質は大きな構造変化が予測されている。大腸菌などの真正細菌では、タンパク質分泌反応時にSecタンパク質が、基質タンパク質を伴った大きな構造変化を繰り返し、段階的にタンパク質の輸送が達成されるとされている。これらSecタンパク質の立体構造の情報は得られつつあるが、未だその作動メカニズムには不明な点が多い。本年度は、新たに構造を決定したSec因子の一つである膜タンパク質SecDFの動的なメカニズムを明らかにすべく、特にSecDFの解析に集中して取り組んだ。変異体を用いたタンパク質の分泌活性の測定やプロトンの透過活性の測定から、最終的にSecDFがどのようにプロトンの濃度勾配のエネルギーを利用し、どのようにタンパク質と相互作用するのかについて知見が得られたため、SecDFの機能モデルを提唱した。また、タンパク質分泌反応の時間依存的な変化を見出すため、Secタンパク質と脂質をディスク状に再構成したナノディスクの高速原子間力顕微鏡を用いた観察を進めた。より安定なナノディスクを構築することに成功し、ナノディスクに再構成されたSecタンパク質の観察は、Secタンパク質のドメイン構造の変化が見出せる分解能の動画を得た。今後、条件検討を行い具体的にどのような変化が起こっているのかを検証する。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究計画にそって順調に進めている。本年度は、SecDFタンパク質の高分解能の構造決定を行い動的メカニズムを提唱した。

Strategy for Future Research Activity

タンパク質の分泌反応はすべての生物に保存されている基本的なメカニズムの一つである。その緻密なメカニズム解明のために、バクテリア由来のSecタンパク質の動態観察を今後、進めていく。タンパク質分泌チャネルであるSecYEGとモータータンパク質を同時にナノディスクに再構成することに成功し、高速原子間力顕微鏡の基盤の上に特異的に結合させ、その状態を観察することを可能とした。条件検討の結果、Sec因子のドメイン構造が見える分解能での解析が可能となった。今後は、ATP駆動型のモータータンパク質の動態を明らかとすべく、ATPやADPやアナログ分子を用いてSecタンパク質による分泌反応の動きを時間依存的に追跡していく。タンパク質分泌反応の動態を観察するためには、基質として用いるアンフォールドしたタンパク質も一つの重要なファクターである。これまではproOmpAを用いてきたが、近年他の研究グループが用いている別の基質タンパク質の利用も進める。本年度、SecDFの構造解析が予想以上に進展したため、SecDFもどのように基質を認識し、基質を伴った構造変化をしているのかについて高速原子間力顕微鏡等を用いた解析を進める。
また、研究を進める上で安定にナノディスクを形成させるのが困難であり、多くのサンプルを消費する。同様なナノディスク様粒子を形成させるポリマーなどの開発なども進展しており、新規ポリマーを用いた解析も当研究に取り入れ動態観察を進める計画である。

Research Products

• [Journal Article] Tunnel formation inferred from the I form structures of the proton-driven protein secretion motor SecDF (2017)
  • Author(s): Arata Furukawa, Kunihito Yoshikaie, Takaharu Mori, Hiroyuki Mori, Yusuke V. Morimoto, Yasunori Sugano, Shigehiro Iwaki, Tohru Minamino, Yuji Sugita, Yoshiki Tanaka, Tomoya Tsukazaki
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 共生細菌由来MATE様多剤排出トランスポーターの結晶化 (2017)
  • Author(s): 谷口 勝英, 藤本 圭, 田中 良樹, 塚崎 智也
  • Organizer: 第９０回 日本細菌学会総会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2017-03-19 – 2017-03-21
• [Presentation] 膜輸送装置の構造と機能 (2017)
  • Author(s): 田中 良樹, 古川 新, 森 貴治, 森 博幸, 森本 雄祐, 菅野 泰功, 岩木 薫大, 南野 徹, 杉田 有治, 塚﨑 智也
  • Organizer: 第９０回 日本細菌学会総会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2017-03-19 – 2017-03-21
  • Invited
• [Presentation] Snapshots of the proton-driven protein translocation motor (2017)
  • Author(s): Arata Furukawa, Kunihito Yoshikaie, Takaharu Mori, Hiroyuki Mori, Yusuke V. Morimoto, Yasunori Sugano, Shigehiro Iwaki, Tohru Minamino, Yuji Sugita, Yoshiki Tanaka, Tomoya Tsukazaki
  • Organizer: EMBO conference | Protein translocation and cellular homeostasis
  • Place of Presentation: Hotel Valamar Lacroma (クロアチア・ドブロブニク)
  • Year and Date: 2017-03-18 – 2017-03-22
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cytoplasmic insights of protein-conducting channel implied from the crystal structures of SecYEG (2017)
  • Author(s): Yasunori Sugano, Arata Furukawa, Yoshiki Tanaka, Tomoya Tsukazaki
  • Organizer: EMBO conference | Protein translocation and cellular homeostasis
  • Place of Presentation: Hotel Valamar Lacroma (クロアチア・ドブロブニク)
  • Year and Date: 2017-03-18 – 2017-03-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大腸菌のペリプラズムプロテアーゼBepAは、TPR domainを介した タンパク質間相互作用により外膜機能を維持する (2017)
  • Author(s): 大門 康志, 舛井 千草, 宮﨑 亮次, 櫻田 洋人, 田中 良樹, 鈴木 健裕, 堂前 直, 森 博幸, 塚崎 智也, 成田 新一郎, 秋山 芳展
  • Organizer: 日本農芸化学会2017年度大会
  • Place of Presentation: ウェスティン都ホテル（京都府・京都市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] Secトランスロコンを介した膜透過の高速AFM観察 (2017)
  • Author(s): 春山 隆充, 菅野 泰功, 田中 良樹, 紺野 宏記, 塚崎 智也
  • Organizer: 平成28年度 生物物理学会中部支部 講演会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2017-03-06
• [Presentation] タンパク質膜透過を駆動するモータータンパク質のスナップショット (2017)
  • Author(s): 古川 新, 吉海江 国仁, 森 貴治, 森 博幸, 森本 雄祐, 菅野 泰功, 岩木 薫大, 南野 徹, 杉田 有治, 田中 良樹, 塚崎 智也
  • Organizer: 2017年 生体運動研究合同班会議
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2017-01-06 – 2017-01-08
• [Presentation] Snapshots of a protein translocation motor (2016)
  • Author(s): 古川 新, 吉海江 国仁, 森 貴治, 森 博幸, 森本 雄祐, 菅野 泰功, 岩木 薫大, 南野 徹, 杉田 有治, 田中 良樹, 塚崎 智也
  • Organizer: 第５４回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県・つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-25 – 2016-11-27
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Molecular mechanisms underlying proton transport in SecDF (2016)
  • Author(s): Takaharu Mori, Yoshiki Tanaka, Kunihito Yoshikaie, Tomoya Tsukazaki, Yuji Sugita
  • Organizer: 第５４回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県・つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-25 – 2016-11-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cytoplasmic insights of protein-conducting channel implied from the crystal structures of SecYEG (2016)
  • Author(s): Arata Furukawa, Yasunori Sugano, Yoshiki Tanaka, Tomoya Tsukazaki
  • Organizer: Zing conferences: Protein Secretion in Bacteria Conference 2016
  • Place of Presentation: Sirata Beach Resort Tampa, Florida. USA
  • Year and Date: 2016-11-09 – 2016-11-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Snapshots of the proton-driven protein translocation motor (2016)
  • Author(s): Arata Furukawa, Kunihito Yoshikaie, Yasunori Sugano, Yoshiki Tanaka, Tomoya Tsukazaki
  • Organizer: Zing conferences: Protein Secretion in Bacteria Conference 2016
  • Place of Presentation: Sirata Beach Resort Tampa, Florida. USA
  • Year and Date: 2016-11-09 – 2016-11-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Snapshots of a proton-driven protein translocation motor (2016)
  • Author(s): Tomoya Tsukazaki, Kunihito Yoshikaie, Arata Furukawa, Yasunori Sugano, Yoshiki Tanaka
  • Organizer: The 42nd Naito Conference on In the Vanguard of Structural Biology: Revolutionizing Life Sciences
  • Place of Presentation: シャトレーゼ ガトーキングダム サッポロ（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-10-04 – 2016-10-07
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 分子シミュレーションによるタンパク質透過チャネル因子 SecG の構造揺らぎの解析 (2016)
  • Author(s): 森 貴治, 塚崎 智也, 杉田 有治
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス（石川県・金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Complete and Peptide-bound Structures of the Sec translocon (2016)
  • Author(s): Yoshiki Tanaka, Yasunori Sugano, Mizuki Takemoto, Takaharu Mori, Arata Furukawa, Tsukasa Kusakizako, Ryuichiro Ishitani, Yuji Sugita, Osamu Nureki, Tomoya Tsukazaki
  • Organizer: Nascent Chain Biology Meeting 2016
  • Place of Presentation: 富士レークホテル（山梨県・富士河口湖町）
  • Year and Date: 2016-09-01 – 2016-09-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Secトランスロコンの１ユニット再構成系の構築と動的探査 (2016)
  • Author(s): 菅野 泰功, 春山 隆充, 田中 良樹, 紺野 宏記, 塚崎 智也
  • Organizer: 第１６回日本蛋白質科学会 年会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2016-06-06 – 2016-06-09
• [Presentation] タンパク質膜透過チャネルSecYEGにおけるSecGの役割-分子動力学計算によるアプローチ- (2016)
  • Author(s): 森 貴治, 塚崎 智也, 杉田 有治
  • Organizer: 第１６回日本蛋白質科学会 年会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2016-06-06 – 2016-06-09
• [Presentation] 新生鎖を膜透過させるSec蛋白質のＸ線結晶構造解析 (2016)
  • Author(s): 田中 良樹, 菅野 泰功, 武本 瑞貴, 森 貴治, 古川 新, 吉海江 国仁, 草木迫 司, 熊崎 薫, 鹿島 絢子, 石谷 隆一郎, 杉田 有治, 濡木 理, 塚崎 智也
  • Organizer: 第１６回日本蛋白質科学会 年会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2016-06-06 – 2016-06-09
  • Invited
• [Presentation] SecDFの構造変化 (2016)
  • Author(s): 吉海江 国仁, 菅野 泰功, 田中 良樹, 塚崎 智也
  • Organizer: 第13回 21世紀大腸菌研究会
  • Place of Presentation: グリーンピア南阿蘇（熊本県・南阿蘇村）
  • Year and Date: 2016-06-02 – 2016-06-03
• [Presentation] 蛋白質分泌マシーナリーの動的精密探査に向けて (2016)
  • Author(s): 菅野 泰功, 春山 隆充, 田中 良樹, 紺野 宏記, 塚崎 智也
  • Organizer: 第13回 21世紀大腸菌研究会
  • Place of Presentation: グリーンピア南阿蘇（熊本県・南阿蘇村）
  • Year and Date: 2016-06-02 – 2016-06-03
• [Remarks] 奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科 塚崎研 研究業績
  • URL: http://bsw3.naist.jp/tsukazaki/publication.html