2021 Fiscal Year Annual Research Report
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20H02693
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
水谷 泰久 大阪大学, 理学研究科, 教授 (60270469)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | アロステリー / ラマン分光法 / タンパク質ダイナミクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
タンパク質は人工の分子では成し得ない高度な機能を有する。したがって、タンパク質を理解することは生命現象の理解のみならず、高度な機能性分子の創成に重要な知見を与える。タンパク質の構造－機能相関を理解するうえで重要な点は、複数のタンパク質が共通した立体構造を持ちつつ、それぞれが多様な機能を示すことである。このことは共通構造が機能の基本構造となっていることを示すとともに、その基盤の上での調節によって機能の多様性が生まれていることを強く示唆する。本研究では、タンパク質化学反応の際に起きる機能単位間の連動的構造変化を観測し、共通の立体構造から機能の多様性が生まれる機構を明らかにする。
タンパク質の立体構造は、高い原子充填率を持つことが知られている。私たちは、ウマ骨格筋由来ミオグロビンについて、ガス分子のタンパク質からの脱離過程を時間分共鳴ラマン分光法によって観測した。結合部位からガス分子が脱離した後、数ピコ秒の時定数をもつαヘリックスの配向変化が観測された。その振幅は、ガス分子と接するアミノ酸側鎖の大きさに依存した。このことは、ガス分子とアミノ酸側鎖との立体反発の解消がヘリックスの動きを駆動することを示しており、機能を生む構造変化に、原子間接触が重要な役割を果たすことを意味している。また、ミオグロビンと同様のグロビンフォールド構造をもつ、アカガイ由来二量体ヘモグロビンについて、ガス分子脱離に伴う構造変化を観測した。同じくグロビンフォールド構造をもつ、ヒト由来四量体ヘモグロビンとは、異なる四次構造変化速度を示すことが明らかになった。これは、サブユニット構造は共通しているが、サブユニット会合部位が異なり、サブユニット間相互作用の差に由来している考えられる。さらに、グロビンフォールド構造をもつタンパク質について、共通にみられる構造変化の速度を比較し考察した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
時間分解吸収分光測定システム、3台の時間分解共鳴ラマン分光測定システムはすべて安定に稼働しており、種々のタンパク質のダイナミクス観測実験に使用されている。幅広い時間帯のタンパク質ダイナミクスについてデータを収集するには長い時間を要するが、研究参画メンバーの努力によって着実にデータ収集が進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
ロドプシンタンパク質の多くは、共通の発色団および共通の立体構造を持ちつつ、プロトン、ナトリウムイオン、塩化物イオンなど、タンパク質ごとに多様なイオンを選択的に輸送する。これまでに発見された光駆動プロトンポンプは、ほぼ全てがプロトンを細胞内から細胞外へ輸送するのに対し、一昨年報告されたシゾロドプシンは、プロトンを細胞外から細胞内へ輸送する。輸送方向が逆である機構に興味が持たれるが、驚くべきことに、シゾロドプシンと従来の光駆動プロトンポンプの立体構造は極めてよく似ており、膜への配向も同じである。また、イオン輸送の鍵となるアミノ酸残基もよく似ている。このように、輸送方向を決定する因子は未反応状態からは全く想像できない。このことは、イオン輸送方向を理解するためには、タンパク質の未反応状態だけでなく、プロトン輸送過程における反応中間体の構造を比較する必要があることを示している。本研究では、中間体の構造に基づいて、輸送方向に依存しない、一般性のあるプロトン輸送原理を解明する。
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