Structural study of a huge respiratory supermolecule hemocyanin (international collaboration work)(Fostering Joint International Research)

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15KK0248
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 田中 良和 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (20374225)
• Project Period (FY): 2015 – 2018
• Keywords: ヘモシアニン / クライオ電子顕微鏡 / X線結晶構造解析

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題にて収集したヘモシアニンのクライオ電子顕微鏡データを用いて構造精密化を行った．プログラムSPHIREを用いて，外壁領域と内部領域を別々に精密化することで，D5対象の外壁領域と，対称性のない内部領域の構造を明らかにすることができた．X線結晶構造解析では，C5対象な分子として解釈された分子が，実は，外部はD5，内部は非対称な構造を有していることを明らかにできたのは，クライオ電子顕微鏡の単粒子解析とX線結晶構造解析の両方の長所を組み合わせたためであり，複雑な対称性を有する分子の構造解析において，これらの手法を組み合わせることの重要性が示された．
外部領域にはX線結晶構造解析で明らかにしたヘモシアニンの外部領域の構造をプロトマーごとにリジッドボディーフィッティングでフィッティングし，内部領域にはX線結晶構造解析で決定したFUを元に作成したFU-gとFU-d*のポリアラニン構造をリジッドボティーフィッティングして全体構造のモデルを構築した．明らかになった10この各プロトマーを比較したところ，内部ドメインの配置の違いにより，4種類に分類された．内部に存在するFU-gとFU-d*が2つのコンフォメーションを取ることができ，それらの組み合わせにより4種類のプロトマーの構造が存在した（プロトマー1，2．3，4）．プロトマー1，2はそれぞれ4つのプロトマーが分類され，プロトマー3，4にはそれぞれ1つのプロトマーが分類された．これらの4種類の異なる構造のプロトマーが複雑に相互作用することで，外部はD5，内部は非対称な複雑な構造が形成されていた．また，明らかになった構造を，他のヘモシアニと比較することで，軟体動物のヘモシアニンが進化する過程を明らかにすることができた．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute of Molecular Physiology(ドイツ) (2016)
  • Year and Date: 2016-07-28 – 2017-03-24
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max Planck Institute of Molecular Physiology
  • Co-investigator Overseas: ステファン ラウンザー
  • Job Title: ディレクター
• [Journal Article] Protein encapsulation in the hollow space of hemocyanin crystals containing a covalently conjugated ligand (2019)
  • Author(s): Tsubasa Hashimoto, Yuxin Ye, Mihoko Ui, Tohohisa Ogawa, Takashi Matsui, and Yoshikazu Tanaka
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Res. Commun. Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2019.04.062
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] CryoEM reveals the asymmetric assembly of squid hemocyanin (2019)
  • Author(s): Yoshikazu Tanaka, Sanae Kato, Makus Stabrin, Stefan Raunser, Takashi Matsui, and Christos Gatsogiannis
  • Journal Title: IUCRj Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: https://doi.org/10.1107/S205225251900321X
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SDS-induced oligomerization of Lys49-phospholipase A2 from snake venom (2019)
  • Author(s): Takashi Matsui, Shizuka Kamata, Kentaro Ishii, Takahiro Maruno, Nouran Ghanem, Susumu Uchiyama, Koichi Kato, Atsuo Suzuki, Naoko Oda-Ueda, Tomohisa Ogawa and Yoshikazu Tanaka
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 9 Pages: 2330
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-38861-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Encapsulation of biomacromolecules by soaking and co-crystallization into porous protein crystals of hemocyanin (2019)
  • Author(s): Tsubasa Hashimoto, Yuxin Ye, Asuka Matsuno, Yuki Ohnish, Akira Kitamura, Masataka Kinjo, Satoshi Abe, Takafumi Ueno, Min Yao, Tomohisa Ogawa, Takashi Matsui, Yoshikazu Tanaka
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Res. Commun. Volume: 509 Pages: 577-584
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2018.12.096
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] staphylococcal bi-component toxin for β-barrel pore assembly (2018)
  • Author(s): Kein Takeda, Yoshikazu Tanaka, Naoki Abe, Jun Kaneko
  • Journal Title: Toxicon Volume: 155 Pages: 43-48
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.toxicon.2018.10.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Compact Seahorse-Shaped T Cell-Activating Antibody for Cancer Therapy (2018)
  • Author(s): Hiroto Fujii, Yoshikazu Tanaka, Hikaru Nakazawa, Aruto Sugiyama, Noriyoshi Manabe, Akira Shinoda, Nobutaka Shimizu, Takamitsu Hattori, Katsuhiro Hosokawa, Takuma Sujino, Tomoyuki Ito, Teppei Niide, Ryutaro Asano, Izumi Kumagai, and Mitsuo Umetsu
  • Journal Title: Adv. Therapeut. Volume: 1 Pages: 1700031
  • DOI: DOI: 10.1002/adtp.201700031
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 蛋白質結晶中の巨大な空隙へのタンパク質の包摂 (2019)
  • Author(s): 橋本翼, 松井崇, 小川智久，田中良和
  • Organizer: PFシンポジウム
• [Presentation] スルメイカ由来ヘモシアニンのクライオ電顕構造とX 線結晶構造の違い (2018)
  • Author(s): 田中良和，松井崇，加藤早苗，Christos Gatsogiannis, Stefan Raunser
  • Organizer: 日本蛋白質科学会
• [Presentation] Molecular Mechanism of Staphylococcal Pore Forming Toxin (2018)
  • Author(s): Yoshikazu TANAKA, Jun KANEKO
  • Organizer: The 79th Okazaki Conference Synthetic, Biological, and Hybrid Molecular Engines
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 巨大蛋白質会合体ヘモシアニンの構造解析 (2018)
  • Author(s): 田中良和
  • Organizer: 日本生物物理学会 東北支部会
• [Presentation] X線結晶構造解析とクライオ電顕、両手法を使って (2018)
  • Author(s): 田中良和
  • Organizer: フォトンファクトリー研究会 X線とクライオ電子顕微鏡で挑む生命の機能とかたち
  • Invited
• [Remarks]
  • URL: http://www.lifesci.tohoku.ac.jp/labmos/publish/publish.html