2022 Fiscal Year Annual Research Report
過渡現象解析で追求する膜輸送タンパク質の多段階構造変化と輸送素過程の連関
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22H02579
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
菊川 峰志 北海道大学, 先端生命科学研究院, 准教授 (20281842)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮内 正二 東邦大学, 薬学部, 教授 (30202352)
塚本 卓 北海道大学, 先端生命科学研究院, 助教 (30744271)
海野 雅司 佐賀大学, 理工学部, 教授 (50255428)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 膜輸送 / イオンポンプ / 微生物ロドプシン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
蛋白質の多くは、多段階の構造変化を経て機能を発現する。この機械のように働く蛋白質の仕組みを理解するため、本研究では、膜輸送蛋白質を研究対象とし、多段階の構造変化と、基質の各輸送ステップの関係の解明を目指している。試料としては、イオンポンプとして働く微生物ロドプシンを用いている。この蛋白質は、光で瞬間的に活性化できるため、短寿命で出現する種々の中間体を過渡応答解析によって検出できる。今年度は以下の成果を得た。
1) Cl-ポンプロドプシン(ClR)の基質選択機構の解明
輸送基質を選択的に結合する過程は、膜輸送蛋白質が起こす重要過程の一つである。今年度は、シアノバクテリア由来ClRの基質選択機構の解析を行った。このClRを含めて、全てのClRは、暗状態において、輸送するCl-を内部に結合している。よって、この部位が基質選択を担当すると予想されていたが、種々のアミノ酸置換変異体を用いた解析によって、この役割は、タンパク質表面の基質取り込み口が担っていることを明らかにした。
2) Na+ポンプロドプシン(NaR)の輸送ゲート機構の解明
能動輸送を行う蛋白質は、内部を細胞内側と外側の溶液に交互に晒すことで、基質の取り込みと放出を行い、一方向輸送を実現すると考えられている。しかし、ゲートを担当する蛋白質部分や、ゲートを開閉する仕組みは多くの場合不明である。今年度は、NaRのゲート機構の解明を目指して、擬似Na+放出中間体の作製とその性質の過渡応答解析を行い、ゲート機構のモデルを構築した。NaRの表面には、３つのヘリックスを結ぶ３残基からなるクラスターが存在する。このクラスター、および、周辺アミノ酸の置換変異体を用いた解析を行った。その結果、クラスターが崩壊すると、一連の構造変化が誘発され、最終的に蛋白質内部に位置するアルギニン側鎖が大きく向きを反転し、ゲート開口状態となることが示唆された。
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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
膜輸送における基質の取り込みと放出過程は、大きな構造変化を必要とする。よって、多段階の構造変化ステップが存在するはずだが、その詳細は多くの場合不明である。上記2)の研究は、このような多段階構造変化の道筋を示したものであり、蛋白質の構造変化戦略の一端を明らかにした点で、特に重要な成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、基質の選択機構、および、放出におけるゲート機構を解明することができた。これらのさらに詳細な性質を解明するとともに、基質の蛋白質内移動の仕組みにも迫りたい。微生物ロドプシンの細胞質側チャネルは非常に疎水的であるが、過渡応答解析の結果は、この疎水性にもかかわらず、速やかにイオンを輸送できることを示している。したがって、この蛋白質高速移動のための特別な分子機構が存在するはずである。この仕組みの解明を目指していく。
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[Journal Article] Phenylazothiazoles as Visible-Light Photoswitches2023
Author(s)
Runze Lin, P. K. Hashim, Saugata Sahu, Ammathnadu S. Amrutha, Nusaiba Madappuram Cheruthu, Shakkeeb Thazhathethil, Kiyonori Takahashi, Takayoshi Nakamura, Takashi Kikukawa, Nobuyuki Tamaoki
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Journal Title
Journal of the American Chemical Society
Volume: －
Pages: －
DOI
Peer Reviewed
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