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

• Project Area: Integrated 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 Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: 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(機構直轄研究施設), 生命創成探究センター, 教授 (60183729)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 村木 則文 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (20723828)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥67,730,000 (Direct Cost: ¥52,100,000、Indirect Cost: ¥15,630,000); Fiscal Year 2023: ¥11,960,000 (Direct Cost: ¥9,200,000、Indirect Cost: ¥2,760,000); 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: 生命金属 / センサータンパク質 / 鉄硫黄クラスター / ヘム / 金属タンパク質 / 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 / ヒドロゲナーゼ / ヘムタンパク質 / 走化性制御系 / 酸素センシング / 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

本研究では、HemATによる酸素センシング、および酸素をシグナル分子とする走化性制御系におけるシグナル伝達の分子機構を解明するため、HemATセンサードメインについて酸素化型と還元型の結晶構造をそれぞれ2.5Å 、2.36Å分解能で得ることに成功した。各状態を比較したところ、酸素がヘムに配位することで、ヘムが配位しているHis119が回転し、回転に伴って隣接するTyr129の側鎖の角度が大きく変化していることが確認された。またシグナルON（酸素化型）では、Tyr129の変化に伴って、Tyr129とシグナリングドメインに続くヘリックス内に位置しているTyr168間で水を介した水素結合ネットワークが新たに形成されている一方、シグナルOFF（還元型）ではその水素結合が形成されていないことを確認した。さらに、シグナリングドメインに続くC末端ヘリックスについて、酸素化型ではC末端ヘリックスの電子密度が見えているのに対して、還元型では見えていない領域があることが確認された。これは、還元型のC末端ヘリックスが不安定であり、各状態で構造安定性に差があるためであると考えられる。これらの結果から、ヘムに酸素が配位することによってC末端ヘリックスへと続く水素結合が形成され、構造が安定化される一方で、酸素が配位していない場合では水素結合が形成されないことでC末端の構造が不安定化され、この構造安定化の違いがシグナリングドメインに対するシグナリングとして伝達されていることが推察される。
さらに本研究では、HemAT/CheA/CheW複合体について、クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子解析を行ない、低分解能マップを得ることに成功した。複合体について得られたマップをもとに複合体構成比を検討したところHemAT：CheA：CheW＝2：1：1で複合体を形成していることが示唆された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では、ヘムを酸素センサーモジュールとして利用している酸素センサータンパク質HemATの構造機能相関解明、および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複合体による走化性制御の分子機構解明を目的とし、HemATならびに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ている。HemATの構造解析においては、シグナルON型およびシグナルOFF型の状態にあるHemATセンサードメインの構造決定に成功している。全長型HemATについては、いくつかの条件で結晶を得ることはできているが、まだ構造決定には至っていない。クライオ電子顕微鏡単粒子構造解析によるHemAT/CheA/CheW複合体の構造決定においては、低分解能でのマップを得ることが出来ており、現在、その分解能向上を目指して各種実験条件の検討を行っているところである。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究では、酸素に対する走化性（Aerotaxis）制御系の構造機能相関解明を目的として、走化性制御系を構成する個々のタンパク質、および走化性制御において中心的な役割を果たすタンパク質複合体（HemAT/CheA/CheW複合体）の構造解析に向けて、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。これまでの研究において、HemATセンサードメイン、CheWタンパク質のX線結晶構造解析に成功しているので、今後は全長型HemAT、CheA、およびHemAT/CheA/CheW複合体の結晶化条件の検討・最適化を進める。
また、クライオ電子顕微鏡単粒子構造解析によるHemAT/CheA/CheW複合体の構造解析を行い、分解能7.36オングストロームでのクライオEM構造を得ることに成功しているので、今後はより高分解能での構造解析を目指し、各種実験条件の検討を進める。
また、水素センサータンパク質生合成反応の分子機構解明を目的とした研究にも取り組む。今後は、クライオ電子顕微鏡による単粒子構造解析を用いた、水素センサータンパク質生合成に関与する一連のアクセサリータンパク質複合体の構造解析も計画している。

Research Products

• [Journal Article] Crystal structural analysis of aldoxime dehydratase from Bacillus sp. OxB-1: Importance of surface residues in optimization for crystallization (2022)
  • Author(s): Matsui Daisuke、Muraki Norifumi、Chen Ke、Mori Tomoya、Ingram Aaron A.、Oike Keiko、Groeger Harald、Aono Shigetoshi、Asano Yasuhisa
  • Journal Title: Journal of Inorganic Biochemistry Volume: 230 Pages: 111770-111770
  • DOI: 10.1016/j.jinorgbio.2022.111770
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] COセンサータンパク質 (2022)
  • Author(s): 青野重利
  • Journal Title: ヘムタンパク質の科学～生理機能の理解とその展開に向けて Volume: - Pages: 101-107
• [Journal Article] アルドキシム脱水酵素 (2022)
  • Author(s): 村木則文、青野重利
  • Journal Title: ヘムタンパク質の科学～生理機能の理解とその展開に向けて Volume: - Pages: 87-90
• [Journal Article] 酸素センサータンパク質 (2022)
  • Author(s): 青野重利
  • Journal Title: ヘムタンパク質の科学～生理機能の理解とその展開に向けて Volume: - Pages: 93-100
• [Journal Article] Structural Characterization of Y29F Mutant of Thermoglobin from a Hyperthermophilic Bacterium Aquifex aeolicus (2021)
  • Author(s): Muraki Norifumi、Takeda Kouta、Nam Dayeon、Muraki Megumi、Aono Shigetoshi
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 50 Issue: 4 Pages: 603-606
  • DOI: 10.1246/cl.200879
  • NAID: 130008025746
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Use of a Ferritin L134P Mutant for the Facile Conjugation of Prussian Blue in the Apoferritin Cavity (2021)
  • Author(s): Ikenoue Yuta、Tahara Yuhei O.、Miyata Makoto、Nishioka Takanori、Aono Shigetoshi、Nakajima Hiroshi
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 60 Issue: 7 Pages: 4693-4704
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c03660
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2019896
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Heme controls the structural rearrangement of its sensor protein mediating the hemolytic bacterial survival (2021)
  • 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 Issue: 1 Pages: 467-467
  • DOI: 10.1038/s42003-021-01987-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural characterization of HypX responsible for CO biosynthesis in the maturation of NiFe-hydrogenase (2019)
  • Author(s): Norifumi Muraki, Kentaro Ishii, Susumu Uchiyama, Satoru G. Itoh, Hisashi Okumura, and Shigetoshi Aono
  • Journal Title: Commun. Biol. Volume: 2 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s42003-019-0631-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural basis for heme transfer reaction in heme uptake machinery from Corynebacteria (2019)
  • Author(s): Norifumi Muraki, Chihiro Kitatsuji, Yasunomi Okamoto, Takeshi Uchida, Koichiro Ishimori, and Shigetoshi Aono
  • Journal Title: Chem. Commun. Volume: 55 Issue: 92 Pages: 13864-13867
  • DOI: 10.1039/c9cc07369h
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Structural basis of CO biosynthesis for the assembly of the active site in NiFe-hydrogenase (2022)
  • Author(s): N. Muraki, S. Aono
  • Organizer: The 8th International Symposium on Metallomics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Regulation of iron homeostasis by VgrR-VgrS, a two component system from X. campestris (2022)
  • Author(s): D. Nam, T. Saio, N. Muraki, R. Tohda, S. Aono
  • Organizer: 10th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural analysis of a heme-containing oxygen sensor protein, HemAT (2022)
  • Author(s): R. Tohda, N. Muraki, T. Yokoyama, S. Aono
  • Organizer: 10th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ガス分子と生命金属の協奏による生体機能制御 (2022)
  • Author(s): 青野重利
  • Organizer: 第１回生命金属科学シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] NiFe型ヒドロゲナーぜの金属クラスター生合成に関わるHypC-D-X複合体の構造研究 (2022)
  • Author(s): 村木則文、青野重利
  • Organizer: 第一回生命金属科学シンポジウム
• [Presentation] ラマン光学活性分光および計算化学を用いたビタミンB12の溶液構造解析と光センサータンパク質CarHへの応用 (2022)
  • Author(s): 谷拓巳、村木則文、藤澤知績、青野重利、海野雅司
  • Organizer: 第４８回生体分子科学討論会
• [Presentation] Structure and Function of HtaA/HtaB from Corynecbacterium gluatamicum (2021)
  • Author(s): Norifumi Muraki, Shigetoshi Aono
  • Organizer: International Chemistry Congress of Pacific Basin Societies 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystal structure of HypX responsible for CO biosynthesis for the assembly of the active site in NiFe-hydrogenase (2021)
  • Author(s): Norifumi Muraki, Shigetoshi Aono
  • Organizer: International Chemistry Congress of Pacific Basin Societies 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structural basis for the heme transfer reaction in the novel bacterial heme uptake system (2021)
  • Author(s): Norifumi Muraki, Shigetoshi Aono
  • Organizer: International Chemistry Congress of Pacific Basin Societies 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヘムをシグナル分子とする細胞内ヘム濃度制御の分子機構 (2021)
  • Author(s): 青野重利
  • Organizer: 第３２回日本微量元素学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Bacillus sp. OxB-1由来アルドキシム脱水酵素の結晶構造解析 (2021)
  • Author(s): 村木則文、松井大亮、浅野泰久、青野重利
  • Organizer: 日本結晶学会2021年度年会
• [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
  • 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
  • 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
  • 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
• [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
• [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
• [Presentation] Mechanism of CO biosynthesis for the maturation of [NiFe] hydrogenase revealed by crystal structure of HypX (2019)
  • Author(s): N. Muraki, S. Aono
  • Organizer: 15th International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural basis for the assembly of the NiFe-dinuclear active site in [NiFe]-Hydrogenases (2019)
  • Author(s): S. Aono, N. Muraki
  • Organizer: 7th International Symposium on Metallomics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural Characterization of HypX Responsible for CO Biosynthesis in the Maturation of [NiFe]-Hydrogenases (2019)
  • Author(s): S. Aono
  • Organizer: Frontier Bioorganization Forum 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structural analysis of HypX responsible for CO production in the maturation of a [NiFe]-hydrogenase (2019)
  • Author(s): N. Muraki, S. Aono
  • Organizer: 19th International Conference on Biological Inorganic Chemistry (ICBIC-19)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural Characterization of HypX Responsible for CO Biosynthesis to assemble the active site of [NiFe]-Hydrogenase (2019)
  • Author(s): S. Aono
  • Organizer: 2019 Korea-Taiwan-Japan Biological Inorganic Chemistry Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited