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生命金属動態を鍵反応とするセンサー分子システムの構築と生理機能制御

Planned

Project AreaIntegrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System
Project/Area Number 19H05762
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionCenter for Novel Science Initatives, National Institutes of Natural Sciences

Principal Investigator

青野 重利  大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 教授 (60183729)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥67,730,000 (Direct Cost: ¥52,100,000、Indirect Cost: ¥15,630,000)
Fiscal Year 2022: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000)
Fiscal Year 2021: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000)
Fiscal Year 2020: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000)
Fiscal Year 2019: ¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
Keywordsセンサータンパク質 / ヘム / ヒドロゲナーゼ / 金属タンパク質 / 生命金属 / 酸素センサータンパク質 / 走化性制御システム / シグナル伝達 / 生命金属動態 / 金属含有型センサータンパク質 / 水素センサータンパク質 / ニッケル-鉄二核金属錯体
Outline of Research at the Start

本研究では、遷移金属を構成要素とするセンサーモジュールを有したセンサータンパク質の生合成過程におけるセンサーモジュールの構築とタンパク質部分への組込みの詳細な分子機構を解明することにより、細胞内生命金属動態制御を鍵反応とするセンサー分子システムの構築原理を理解し、「生命金属科学研究基盤の構築」のための基礎的知見を得る。さらに、センサーモジュールによる気体分子センシングの動的過程、気体分子センシングにおいて誘起されるタンパク質構造変化・機能制御を各種分光学的測定、結晶構造解析、生化学・分子生物学的解析によって明らかにし、生命金属が制御する細胞内構造ダイナミクスと機能の解明を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本年度の研究においては、これまでに実施している水素センサータンパク質の生合成反応機構の解明に関する研究においては、水素センサーとして機能するヒドロゲナーゼの活性中心の構成要素であるFe(CN)2CO錯体の生合成に関与するアクセサリータンパク質HypC、HypDの結晶構造決定に成功した。
上記の研究に加え、本年度の研究においては、酸素に対する走化性制御システムにおける酸素センシングならびに酸素に依存したシグナル伝達反応の分子機構解明を目的とした研究も実施した。枯草菌等の酸素に対する走化性制御システムであるHemAT/CheA/CheW複合体は、酸素センサータンパク質HemATとシグナル伝達タンパク質であるCheA、CheWから構成される、好熱性Bacillus属細菌であるBacillus smithii由来のHemAT、CheA、CheWを単離精製し、CheA/CheWの二者複合体、HemAT/CheA/CheWの三者複合体が溶液中で安定に生成することを明らかにした。クライオ電顕によるこれら複合体の立体構造決定の予備実験として、ネガティブ染色した複合体サンプルの電子顕微鏡像の観測を行ったところ、直径が異なるリング状構造が観測された。分子サイズから考えると、CheA、CheA/CheW、およびHemAT/CheA/CheWそれぞれのtrimer of dimerが形成されていると考えられる。本酸素センサーシステムにおいては、CheAとCheWがシグナル伝達の足場となるリング状構造を形成し、そこにセンサータンパク質であるHemATが付加した超分子複合体を形成するものと推定される。現在、この仮説を検証するための実験を進めている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では、遷移金属を構成要素とするセンサーモジュールを有したセンサータンパク質の生合成過程におけるセンサーモジュールの構築とタンパク質部分への組込みの詳細な分子機構を解明することにより、細胞内生命金属動態制御を鍵反応とするセンサー分子システムの構築原理を理解し、センサーモジュールによる気体分子センシングの動的過程、気体分子センシングにおいて誘起されるタンパク質構造変化・機能制御を各種分光学的測定、結晶構造解析、生化学・分子生物学的解析によって明らかにすることを目的としている。水素センサータンパク質の生合成反応機構の解明に関する研究においては、センサー本体として機能するNiFe錯体の配位子として機能する一酸化炭素の生合成を触媒する酵素HypXの結晶構造決定に成功している。HypXにより合成されたCOを利用し、ヒドロゲナーゼの活性中心の構成要素であるFe(CN)2CO錯体の生合成に関与するアクセサリータンパク質HypC、HypDの結晶構造決定にも成功しており、本研究は順調に進捗しているものと判断される。また、本年度より新たに取り組んでいる、酸素に対する走化性制御システムHemAT/CheA/CheW複合体についても、クライオ電子顕微鏡による単粒子構造解析による構造決定に向けて順調に研究が進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究では、水素センサータンパク質生合成過程において、一連のアクセサリータンパク質がどのような組合せ・順番で反応することによりセンサータンパク質が合成されるのか、その詳細な分子機構の解明を行う。そのために、X線小角散乱、および結晶構造解析を用いたアクセサリータンパク質複合体の構造解析、アクセサリータンパク質から水素センサータンパク質へのセンサーモジュール輸送反応過程の解析を計画している。
また、酸素に対する走化性制御システムの構造機能相関解明に向けた研究にも引き続き取り組む予定である。本研究では、酸素に対する走化性(Aerotaxis)制御系において、ヘムを酸素センサーモジュールとして利用しているMCPである酸素センサータンパク質HemATを対象とし、酸素センシングならびにシグナル伝達反応の中心的な役割を果たすHemAT/CheA/CheW複合体の構造決定に向けて、X線結晶構造解析およびクライオ電子顕微鏡による単粒子構造解析を併用して研究を進める。

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report

Research Products

(16 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] Structural Characterization of Y29F Mutant of Thermoglobin from a Hyperthermophilic Bacterium <i>Aquifex aeolicus</i>2021

    • Author(s)
      Muraki Norifumi、Takeda Kouta、Nam Dayeon、Muraki Megumi、Aono Shigetoshi
    • Journal Title

      Chem. Lett.

      Volume: 50 Issue: 4 Pages: 603-606

    • DOI

      10.1246/cl.200879

    • NAID

      130008025746

    • ISSN
      0366-7022, 1348-0715
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Use of a Ferritin L134P Mutant for the Facile Conjugation of Prussian Blue in the Apoferritin Cavity2021

    • Author(s)
      Ikenoue Yuta、Tahara Yuhei O.、Miyata Makoto、Nishioka Takanori、Aono Shigetoshi、Nakajima Hiroshi
    • Journal Title

      Inorganic Chemistry

      Volume: 60 Pages: 4693-4704

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.0c03660

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Heme controls the structural rearrangement of its sensor protein mediating the hemolytic bacterial survival2021

    • Author(s)
      Nishinaga Megumi、Sugimoto Hiroshi、Nishitani Yudai、Nagai Seina、Nagatoishi Satoru、Muraki Norifumi、Tosha Takehiko、Tsumoto Kouhei、Aono Shigetoshi、Shiro Yoshitsugu、Sawai Hitomi
    • Journal Title

      Communications Biology

      Volume: 4 Pages: 467-467

    • DOI

      10.1038/s42003-021-01987-5

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structural characterization of HypX responsible for CO biosynthesis in the maturation of NiFe-hydrogenase2019

    • Author(s)
      Norifumi Muraki, Kentaro Ishii, Susumu Uchiyama, Satoru G. Itoh, Hisashi Okumura, and Shigetoshi Aono
    • Journal Title

      Commun. Biol.

      Volume: 2

    • DOI

      10.1038/s42003-019-0631-z

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structural basis for heme transfer reaction in heme uptake machinery from Corynebacteria2019

    • Author(s)
      Norifumi Muraki, Chihiro Kitatsuji, Yasunomi Okamoto, Takeshi Uchida, Koichiro Ishimori, and Shigetoshi Aono
    • Journal Title

      Chem. Commun.

      Volume: 55 Pages: 13864-13867

    • DOI

      10.1039/c9cc07369h

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] NiFe型ヒドロゲナーゼの活性中心形成に必要なCO生合成反応の分子機構2021

    • Author(s)
      青野重利
    • Organizer
      日本農芸化学会大会2021
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 水素代謝酵素の活性中心に必須な一酸化炭素を生合成する分子機構2020

    • Author(s)
      村木則文
    • Organizer
      日本農芸化学会中部支部第188回例会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ヘムが関与する生体内シグナルセンシングおよびシグナル伝達2019

    • Author(s)
      青野重利
    • Organizer
      同志社大学ナノ・バイオサイエンス研究センター 私大戦略「細胞自在操作のための分子化学技術の開発拠点形成」成果報告会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] NiFeヒドロゲナーゼの活性中心に必須なCOの生合成を担うHypXの構造基盤2019

    • Author(s)
      村木則文、青野重利
    • Organizer
      第19回日本蛋白質科学会年会/第71回日本細胞生物学会大会合同年次大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 病原菌の鉄獲得システムで機能するヘムセンサー蛋白質の多機能性とその構造的機序2019

    • Author(s)
      西永惠、長井聖奈、村木則文、青野重利、杉本宏、城宜嗣、澤井仁美
    • Organizer
      第19回日本蛋白質科学会年会/第71回日本細胞生物学会大会合同年次大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] ヒドロゲナーゼ成熟化において一酸化炭素生合成を担うHypXの結晶構造解析2019

    • Author(s)
      村木則文、青野重利
    • Organizer
      日本結晶学会年会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Mechanism of CO biosynthesis for the maturation of [NiFe] hydrogenase revealed by crystal structure of HypX2019

    • Author(s)
      N. Muraki, S. Aono
    • Organizer
      15th International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Structural basis for the assembly of the NiFe-dinuclear active site in [NiFe]-Hydrogenases2019

    • Author(s)
      S. Aono, N. Muraki
    • Organizer
      7th International Symposium on Metallomics
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Structural Characterization of HypX Responsible for CO Biosynthesis in the Maturation of [NiFe]-Hydrogenases2019

    • Author(s)
      S. Aono
    • Organizer
      Frontier Bioorganization Forum 2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Structural analysis of HypX responsible for CO production in the maturation of a [NiFe]-hydrogenase2019

    • Author(s)
      N. Muraki, S. Aono
    • Organizer
      19th International Conference on Biological Inorganic Chemistry (ICBIC-19)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Structural Characterization of HypX Responsible for CO Biosynthesis to assemble the active site of [NiFe]-Hydrogenase2019

    • Author(s)
      S. Aono
    • Organizer
      2019 Korea-Taiwan-Japan Biological Inorganic Chemistry Symposium
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2019-07-04   Modified: 2022-07-01  

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