シャペロニンの機能発現の分子メカニズム

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10480177
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 桑島 邦博 東京大学, 大学院・理学系研究科, 教授 (70091444)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 新井 宗仁 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助手 (90302801)
• Keywords: 分子シャペロン / シャペロニン / GroEL / ES / フォールディング / 球状タンパク質 / スタフィロコッカルヌクレアーゼ / GFP

Research Abstract

本研究は、大腸菌のシャペロニン GroEL/ESの機能発現の分子メカニズムを明らかとすることを目的とする。そのため、αラクトアルブミン(αLA)、スタフィロコッカル・ヌクレアーゼ(SNase)、グリーン蛍光タンパク質(GFP)などの物理的性質の大きく異なる球状タンパク質の中間体とシャペロニンとの相互作用をストップトフロー蛍光スペクトル法を用いて調べる。また、シャペロニンの機能発現にとって不可欠なヌクレオチド、ATP,ADP,ATP類似物(ATPγS,AMP-PNP)とGroELとの相互作用を物理学的立場から明らかにする。以下の成果が得られた。
(1) アポ体αLAの巻き戻り速度過程に及ぼすシャペロニンの影響をストップトフロー蛍光法により調べた。計算機シミュレーションにより反応曲線を定量的に解析することに成功した。GroES非共存下でGroELとヌクレオチドを加えた場合、ATPのみがGroELの標的に対する親和性を低下させるが、GroESが共存するとATPのみならず、ADP,ATP類似物も標的に対する親和性低下に有効に働くことがわかった。
(2) GroELとADP,ATP類似物との相互作用を滴定型熱量計、ピレン化GroELの蛍光スペクトルにより調べた。その結果、これらのヌクレオチドのGroELへの結合は非協同的であり、かつ、結合強度の異なる2種類の結合部位の存在することがわかった。従来、これらのヌクレオチドの結合はGroELリング内で協同的に起こるとするアロステリックモデルが定説となっていたが、今回の結果はこの定説を覆すものである。ATPが存在するときのみ協同的な蛍光スペクトルの変化が観測されたので、ATPの加水分解または結合が協同的な変化にとって必要と考えられる。
(3) In vivoで野生型よりも効率よく構造形成することが知られているGEP変異体(Cycle3)を作成し、その in vitroでの巻き戻り反応を蛍光スペクトルを用いて調べた。巻き戻り挙動は野生型と同じであったが、巻き戻り中間体の会合体形成の程度が野生型よりも少なくなっており、これがin vivoでの挙動の違いに反映されていることがわかった。

Research Products

• [Publications] Fujiwara,K.,Arai,M.,Shimizu,A.,Ikeguchi,M.,Kuwajma,K.& Sugai,S.: "Folding-unfolding ebuilibrium and kinetics of equine beta-lactoglobilin : equivalence between the equibrium molten globute state and a burst-phase folding intermediate"Biochemistry. 38. 4455-4463 (1999)
• [Publications] Koshiba,T.,Hayashi,T.,Miwako,I..,Kumagai,I..,Ikura,T.,Kawano,K.,Nitta,K & Kuwajima,K.: "Expression of a synthetic gene encoding canine milk lysozyme in escherichia coli and characterization of the expressed protein"Protein Eng.. 12. 429-435 (1999)
• [Publications] Makio,T.,Arai,M & Kuwajima,K.: "Chaperonin-affected refolding of alpha-lactalbumin : Effects of nucleotides and the Co-chaperonin GroES"J.Mol.Biol.. 293. 125-137 (1999)
• [Publications] Terada,T.P. & Kuwajima,K.: "Thermodynamics of nucleotide binding to the chaperonin GroEL studied by isothermal titration calorimetry : evidence for noncooperative nucleotide binding Biochim"Biophys.Acta. 1431. 269-281 (1999)
• [Publications] 桑島邦博: "シャペロニン : 蛋白質立体構造形成の分子機械"パリティ. 14・12. 78-81 (1999)
• [Publications] Motojima,F.,Makio,T.,Aoki,K.,Makino,Y.,Kuwajima,K.& Yoshida,M.: "Hydrophilic residues at the apical domain of GroEL contribute to groES binding but attenuate polypeptide biniding"Biochem.Biophys,Res.Commun.. 267. 842-849 (2000)
• [Publications] Forge,V.,Hoshino,M.Kuwata,K.,Arai,M.,Kuwajima,K.,Batt,C.A.& Goto,Y.: "Is folding of beta-lactoglobulin non-hierarchic? Intermadiate with native-like beta-sheet and non-native alpha-helix"J.Mol.Biol.. 296. 1039-1051 (2000)
• [Publications] Arai,M.& Kuwajima,K.: "The role of the molten globute state in protein folding"Adv.Protein Chem.. (in press). (2000)
• [Publications] Arai,M.,Hamel,P.,Kanaya,E.,Inaka,K.,Miki,K.,Kikuchi,M.,& Kuwajima,: "Effect of an Alternative Disulfide Bond on the Structure,Stability,and Folding of Human Lysozyme"Biochemistry. (in press). (2000)
• [Publications] Ikura,T.,Hayano,T.,Takahashi,N.& Kuwajima,K.: "Fast folding of Escherichia coli cylophilin A.A hypothesis of a unique hydrophobic core with a phenylalanine cluster"J.Mol.Biol.. (in press). (2000)
• [Publications] Koshiba,T.,Yao,M.,Kobashigawa,Y,,Demura,M.,Nakagawa,A.,Tanaka,I..,Kuwajima,K.& Nitta,K.: "Structure and thermodynamics of the extraordinarily stable molten globule state of canine milk lysozyme"Biochemistry. (in press). (2000)
• [Publications] Arai,M & Kuwajima,K.: "Old and New Views of Protein Folding"Elsevier Science,Amsterdam. 318 (2000)