High-resolution structural analysis of mitochondrial supercomplex and ATP synthase involved in ATP synthesis

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H03646
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: 伊藤 恭子 (新澤恭子) 兵庫県立大学, 生命理学研究科, 特任准教授 (70206316)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 呼吸鎖超複合体 / ATP合成酵素 / ミトコンドリア / 呼吸鎖電子伝達系 / 複合体Ⅳ

Outline of Annual Research Achievements

複合体I1,III2,IV1からなる超複合体、更にそれが会合したメガ複合体構造が、単粒子構造解析により報告されている。しかし、各複合体の位置関係情報は得られたが、超複合体形成の意義の解明には至っているとは言い難い。
超複合体及び各ミトコンドリア呼吸鎖複合体を、膜中の構造と機能を保持したまま精製する方法を、報告した（JBC 2016, Protein Expr Purif. 2018）。これまで我々は、複合体Ⅳのダイマー構造を詳細に解明してきたが、ミトコンドリア膜中ではほとんど、モノマー、又は超複合体中でモノマーとして存在していた。超複合体が複合体Ⅳのダイマー形成によって膜中に規則正しく並ぶモデルも考案されていたが,メガ複合体においても複合体Ⅳはモノマーとして存在した。Amphipol を用いたダイマーとモノマー標品の活性比較から、モノマーが高い活性を示す活性型であることを示すと共に、界面活性剤の種類を変更しモノマー酵素のX線結晶構造解明を行い、カルジオリピンが超複合体中での複合体I及び複合体Ⅲとの相互作用に重要な役割を果たしていることを示した（PNAS 2019）。ラマン分光法により、超複合体形成が複合体Ⅳの活性中心の電子状態に与える影響を検討したが、構造変化を議論できるレベルの変化は起きていないことがわかったことから、複合体Ⅳの超複合体形成による構造変化は起こらないことが示された(論文作成中)。超複合体精製をチトクロムｃ存在下で行うと、2-3番の収量で超複合体標品が得られたことから、チトクロムｃは超複合体形成の安定化に寄与している可能性が示された。複合体Ⅳに対する第2のチトクロムc結合部位が見いだされたことからこの構造解析を進める。
複合体Ⅴに関しては、プロトンの流入を行うFo部分の調製法は確立され、脂質メソフェーズ法による結晶化を試みたが、結晶を得るまでには至らなかった。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Oversized ubiquinones as a molecular probe for structural dynamics of the ubiquinone reaction site in mitochondrial respiratory complex I (2020)
  • Author(s): Shinpei Uno, Takahiro Masuya, Kyoko Shinzawa-Itoh, Tomoo Shiba, Daniel Ken Inaoka, Masatoshi Murai, and Hideto Miyoshi
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 295 Pages: 2449-2463
  • DOI: 10.1074/jbc.RA119.012347
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Higd1a improves respiratory function in the models of mitochondrial disorder (2020)
  • Author(s): Nagao T, Yasunori Shintani, Takaharu. Hayashi, Hidetaka Kioka, Hisakazu Kato, Yuya Nishida, Satoru Yamazaki, Osamu Tsukamoto, Shohei Yahshirogi, Yoshihiro Asano, Kyoko Shinzawa-Itoh, Hitomi Imamura, Takeo Suzuki, Tsutomu Suzuki, Yu-ichi Goto, Seiji Takashima
  • Journal Title: FASEB J Volume: 34 Pages: 1859-1871
  • DOI: 10.1096/fj.201800389R
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X-ray structures of catalytic intermediates of cytochrome c oxidase provide insights into its O2 activation and unidirectional proton-pump mechanisms. (2020)
  • Author(s): Shimada A, Etoh Y, Kitoh-Fujisawa R, Sasaki A, Shinzawa-Itoh K, Hiromoto T, Yamashita E, Muramoto K, Tsukihara T, Yoshikawa
  • Journal Title: J Biol Chem. Volume: 295 Pages: 5848-5833
  • DOI: 10.1074/jbc.RA119.009596
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Osmotic pressure effects identify dehydration upon cytochrome c-cytochrome c oxidase complex formation contributing to a specific electron pathway formation. (2020)
  • Author(s): Sato W, Hitaoka S, Uchida T, Shinzawa-Itoh K, Yoshizawa K, Yoshikawa S, Ishimori K.
  • Journal Title: Biochem J. Volume: 477 Pages: 1565-1578
  • DOI: 10.1042/BCJ20200023
• [Journal Article] Monomeric structure of an active form of bovine cytochrome c oxidase. (2019)
  • Author(s): Shinzawa-Itoh K., Sugimura T., Misaki T., Tadehara Y., Yamamoto S., Hanada M., Yano N., Nakagawa T., Uene S., Yamada T., Aoyama H., Yamashita E., Tsukihara T., Yoshikawa S., and Muramoto K.
  • Journal Title: PNAS Volume: 116 Pages: 19945-19951
  • DOI: 10.1073/pnas.1907183116.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Purified F-ATP synthase forms a Ca2+-dependent high-conductance channel matching the mitochondrial permeability transition pore. (2019)
  • Author(s): Urbani A., Giorgio V., Carrer A., Franchin C., Arrigoni G., Jiko C., Abe K., Maeda S., Shinzawa-Itoh K., Bogers JFM, McMillan DGG, Gerle C., Szabò I,. Bernardi P.
  • Journal Title: Nat Commun. Volume: 25 Pages: 4341
  • DOI: 10.1038/s41467-019-12331-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Low-dose X-ray structure analysis of cytochrome c oxidase utilizing high-energy X-rays. (2019)
  • Author(s): Ueno G, Shimada A, Yamashita E, Hasegawa K, Kumasaka T, Shinzawa-Itoh K, Yoshikawa S, Tsukihara T, Yamamoto M.
  • Journal Title: J Synchrotron Radiat. Volume: 26 Pages: 912-921
  • DOI: 10.1107/S1600577519006805.
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Monomeric structure of an active form of bovine cytochrome c oxidase. (2019)
  • Author(s): Shinzawa-Itoh K., Sugimura T., Misaki T., Tadehara Y., Yamamoto S., Hanada M., Yano N., Nakagawa T., Uene S., Yamada T., Aoyama H., Yamashita E., Tsukihara T., Yoshikawa S., and Muramoto K.
  • Organizer: 日本生化学会