2015 Fiscal Year Annual Research Report
巨大分子輸送ＡＢＣトランスポーターの完全立体構造の決定と機能解析
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26292044
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| Research Institution | Setsunan University |
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Principal Investigator |
村田 幸作 摂南大学, 理工学部, 教授 (90142299)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
橋本 渉 京都大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (30273519)
丸山 如江 摂南大学, 理工学部, 助教 (90397563)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ABCトランスポーター / 酸性多糖輸送 / Spingomonas / X線結晶構造解析 / 輸送体分子進化 / 体腔 / フラジェリン / 鉄輸送体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、体腔形成細菌Sphingomonas sp. A1株 が有する、高分子酸性多糖(アルギン酸)を輸送するABCトランスポーター（AlgM1M2:AlgS-AlgS）を対象に、基質結合タンパク質(AlgQ2)とABCトランスポーターとの複合体の立体構造、及びその機能を完全に解明し、高分子物質と低分子物質の輸送に関わるABCトランスポーターの構造的・機能的相関、並びに他の輸送装置（PTS：グルコース輸送体）との進化学的な関連の解明を目指している。本年度は、以下①と②の二つの大きな成果を挙げた。①先ず、AlgM1M2:AlgS-AlgSを、AlgQ2とアルギン酸(オリゴ糖)存在下で結晶化し、その詳細な立体構造を決定した [Maruyama et al., Structure, 23(9),1643-1654 (2015)]。これにより、従来のABCトランスポーターには見られない特異な構造を見出した。即ち、結合タンパク質とABCトランスポーターとの界面には長いトンネル構造が形成され、長鎖アルギン酸が、このトンネル構造を介して輸送される新規な機構を明らかにした。また、ABCトランスポーター内腔には、荷電性アミノ酸残基が配置されており、これらの残基が酸性高分子であるアルギン酸の輸送に重要であることも示した。②次に、アルギン酸オリゴ糖(4～7糖)を基質とし、リポソームに再構成したAlgM1M2:AlgS-AlgS、AlgQ2及びアルギン酸オリゴ糖との複合体のX線結晶構造を決定し、AlgQ2は少なくとも5残基からなるアルギン酸オリゴ糖の輸送に関わることを明らかにした。その場合、基質と結合してclosed状態になったAlgQ2がAlgM1M2:AlgS-AlgSと相互作用し、ATP加水分解が引き起こされる事も明確にした(論文作成中）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
体腔形成細菌Sphingomonas sp.A1株が有する巨大分子(アルギン酸)輸送ABCトランスポーターの完全立体構造の決定とその構造機能相関の理解を目的としている。この内膜局在のABCトランスポーターは、ペリプラズム局在のアルギン酸結合タンパク質と会合した高次構造の形でアルギン酸の輸送に関わる。つまり、アルギン酸は、アルギン酸結合タンパク質から内膜のABCトランスポーターへと受け渡され、その場合ABCトランスポーターの構成成分によるATP加水分解エネルギーが利用される。この全体的分子過程を明らかにするため、極めて詳細なX線結晶構造を決定することに成功し、論文を発表した[Maruyama et al., Structure, 23(9),1643-1654 (2015)]。また、記者会見(平成27年7月30日 京都大学記者クラブ、日刊工業新聞7月31日朝刊報道)を行い、高い評価を得るに至った。この様に、巨大分子(多糖類)の取り込みに関わるABCトランスポーターの新規な立体構造とその巨大分子輸送機構の詳細を明らかにして、ABCトランスポーターの本質に迫る重要な成果を着実に挙げ、本基盤研究(B)の目的達成に肉薄している。充分な進展を見ていない内容［細胞表層でのアルギン酸の認識(細胞表層局在べん毛タンパク質フラジェリン)、濃縮(候補：メタロぺプチダーゼ)並びに外膜輸送（候補：鉄輸送体］などに関わるタンパク質の構造・機能解析もあるが、これらはABCトランスポーターの研究を補完する位置に在り、本基盤研究の内容を左右するものではない。これらのタンパク質のX線結晶構造解析も順調に進んでいる(Maruyama et al., Biochemistry, 47(5),1393-1402,2008; Maruyama et al., J.Mol.Biol., 407(1),180-192,2011)。
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| Strategy for Future Research Activity |
細菌Sphingomonas sp. A1株が有する巨大分子輸送ABCトランスポーターの全構造をほぼ明らかにした[Maruyama et al., Structure, 23(9),1643-1654 (2015)]。また、本トランスポーターの輸送機構も概ね明らかにしている。最終年度は、以下の項目の研究を進める。
ABCトランスポーターで輸送されるアルギン酸の上限鎖長と輸送機構を明らかにする。一般的に、ABC トランスポーターは、結合タンパク質の結合・解離やATP の加水分解に伴って構造が変化し、内腔の入り口（ペリプラズム側）と出口（細胞質側）が開閉を協調してリズミカルに繰り返す事により基質を運搬する。A1株のアルギン酸ABC トランスポーターにおいて、この空洞(入り口から出口までの距離)の長さは約27 Åで、直鎖状のアルギン酸6糖分に相当する。従って、アルギン酸が内腔を通過するためには(注：A1株は、～数十鎖長のアルギン酸を取り込む）、新たな分子機構の存在が期待される。その機構をペリプラズム局在の基質結合タンパク質との相互作用との関連から明らかにする。また、ATPの加水分解エネルギーを用いて、アルギン酸を出口へと送り出す機構(輸送速度［ATP分解速度］と輸送量との関連）とその場合の電子リレーに関わるアミノ酸配置の特異性も明らかにする。残されている課題として、細胞表層でアルギン酸の認識に関わるタンパク質(鞭毛タンパク質フラジェリン)及びアルギン酸の外膜での濃縮と通過を許容するタンパク質(メタロぺプチダーゼと鉄輸送体)の構造機能相関解析、並びに本菌の細胞表層に存在し、体腔形成（つまり、細胞表層構造の再編、および細胞表層の動的構造）に関わる巨大な襞分子の単離と構造解析も進める。これらは、ABCトランスポーター自身の構造と機能に関わるものではないが、その包括的な理解に必要である。
いずれも相当に進展しているため、大きな困難は無いものと考えている。
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| Causes of Carryover |
平成27年度は、平成26年度と同様に節約し部分的に校費で賄うことも出来たため、未使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
実験用消耗品及び、試薬等の購入に充当する。特に、細胞表層の膜形成分子（体腔形成分子）の構造と成分の解析に外注も含めた経費を要する。
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Research Products
(9 results)
