液体論に根ざしたV1-ATPアーゼ回転メカニズムの描像構築

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K06108
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 安田 賢司 千葉大学, 大学院理学研究院, 特任助教 (40792081)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: V1ATPase / 分子モーター / 水和エントロピー

Outline of Annual Research Achievements

ATP駆動タンパク質はATPの化学エネルギーを力学エネルギーに変換し機能すると考えられているが、そのメカニズムの統一的見解は得られていない。先行研究でATP駆動分子モーターの F型ATPaseの回転メカニズムに関して「パッキングの不均一性と水のエントロピー効果により回転が引き起こされる」という従来とは異なる描像が提案された。そこで本研究では様々なヌクレオチド結合状態の立体構造が得られているV1-ATPaseに対して水和エントロピーに着目した熱力学量の解析を行うことにより、上記の描像で不明確であった部分を明らかにし、回転メカニズムの描像確立に取り組む。以下に当該年度の研究成果を記載する。
サブ複合体間の水和エントロピーの不均一性の検証---ATP結合型、ADP結合型、ヌクレオチド非結合型のV1-ATPaseに対して3つのBABサブ複合体の水和エントロピーを解析した。その結果、いずれの構造においても水和エントロピーの不均一性が存在し、先行研究で提案されたF1-ATPaseの回転メカニズムと同様のメカニズムが存在することが示唆された。
水和エントロピーの不均一性の起源の解明---Aサブユニット、Bサブユニットをそれぞれ、N末端領域、中央領域、C末端領域に分解して解析した。その結果、不均一性は主にAサブユニットの中央領域の充填効率に起因していることを明らかにした。
ヌクレオチドの結合による充填効率の変化---ヌクレオチド結合前後のABサブユニット間の重点効率を比較した。その結果、ヌクレオチドの結合により重点効率が増加すること、その度合いはATPの方がADPと比較して強いことを明らかにした。
予想外の結果として、ヌクレオチド非結合状態のV1-ATPaseでは、Emptyに対応するABサブユニットが最も密に充填していることが明らかになった。このメカニズム解明に関しては次年度以降で取り組む。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の予定通り、サブ複合体間の水和エントロピーの不均一性を示し、回転メカニズム解明の一端を明らかにした。また、その起源も明確にできた。このため予定通り順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

当初計画に従って、研究項目を継続する。上記で得られた結果をもとに一方向回転の描像を構築すると共に、MDシミュレーションにより実際とは異なる方向に軸が向い構造や、実際とは異なるヌクレオチドが結合した構造を作成し解析することにより、構築した描像の妥当性を検証する。