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Comprehensive research of signal transduction of cell

Planned Research

Project AreaInformation physics of living matters
Project/Area Number 19H05797
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 InstitutionOsaka University

Principal Investigator

石島 秋彦  大阪大学, 生命機能研究科, 教授 (80301216)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 蔡 栄淑  大阪大学, 生命機能研究科, 助教 (40378716)
福岡 創  大阪大学, 生命機能研究科, 准教授 (50447190)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥108,810,000 (Direct Cost: ¥83,700,000、Indirect Cost: ¥25,110,000)
Fiscal Year 2022: ¥19,890,000 (Direct Cost: ¥15,300,000、Indirect Cost: ¥4,590,000)
Fiscal Year 2021: ¥21,060,000 (Direct Cost: ¥16,200,000、Indirect Cost: ¥4,860,000)
Fiscal Year 2020: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000)
Fiscal Year 2019: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000)
Keywords走化性
Outline of Research at the Start

大腸菌走化性システムは、外界の誘因・忌避物質が細胞極に存在する受容体に結合し、その情報は細胞内を通して各モーターに伝わり、モーターの回転方向が転換される。申請者は、走化性刺激受容において、協同性、適応性、自発性の3つの特徴が、受容体のメチル化レベルの変動という共通の分子機構で実現されている、という従来説とは全く異なる新しいモデルを提唱している。そこで、1細胞レベルでの走化性動態を、活性を保ったまま明らかにする。分子レベルの反応ネットワークと細胞レベルの応答をつなぐ格好のモデル系であり、領域内の理論グループとの共同研究体制を構築することにより実験と理論との有機的な融合を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

研究は,バクテリア走化性に関わるすべてのタンパク質の挙動を1 細胞レベルでイメージングすることにある.さらに、本来の機能を有した状態での蛍光タンパク質との融合タンパク質の作成のため、可能性のある結合部位、リンカーの種類・長さ、蛍光タンパク質を網羅的に調べ上げる.
特に, CheYとCheZという走化性に関わるタンパク質双方に蛍光色素を導入しFRET計測を行った.特に,低濃度セリンにおいて,反応が速く,急峻な挙動とそうでない二相性を示すことがわかった.そこで,低濃度セリンについて重点的に調べた.その結果,0.1,0.2,0.5マイクロモルセリン添加時には二相性を示し,1マイクロモル以上では示さないことがわかった.
二相性を示す原因を探るため,菌体の長さ,角度,初期局在蛍光強度などとの関連を探ってみたが,今までに関連がありそうなパラメータは見つかっていない.
また,今までは不完全ガンマ関数を用いたモデル構築を行ってきたが,Yuhai Tuらが提唱しているモデルをもとに再現を行った.彼らのモデルは誘引物質を指数関数,三角関数に従って投与した際のレスポンスを見ていており,我々のような急激な刺激の定量的な評価は行ってきていない.我々の結果を当モデルで再現してみたところ,協同性の指標,N,が大きめに出ることがわかった.
また,忌避応答に対するCheBの局在についてもTuらのモデルでの再現を試みた.しかし,彼らのモデルは刺激時の反応は定常状態での計算であり,過渡現象を再現できない.忌避応答の場合のCheBの局在は,緩やかに上昇することから新しいモデルを考える必要がある.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の目的である,低濃度セリン時の適応現象の二相性についてはだいぶデータがそろってきており,ほぼ二相性であることの確証が得られた.現在,この二相性の特徴を明らかにするために,低濃度セリンの濃度依存性に取り組んでいる.
忌避応答におけるCheBの局在については,リン酸化,CheAとの結合か,脱メチル化,受容体との結合かの区別がついていない.現在,受容体の結合部位を削除した変異体での計測を行っている.
また,細胞集団としての振る舞いと情報伝達関連タンパク質との関係を調べるため,電気イオン浸透システムを用いて集団の振る舞いを調べた.単純な振る舞いだけでなく,個々の細胞の追従も可能な系であるため,個々の大腸菌の,遊泳速度,直進時間,タンブリング時の角度変化などを解析するシステムの構築を行っている.

Strategy for Future Research Activity

B02-1:忌避応答における細胞内関連タンパク質の挙動を明らかにするため,現在計測しているCheBだけでなく,CheY,CheZなどの局在変化を計測する.さらに,デコンボリューション顕微鏡により,極付近にリング状の受容体の構造の存在を明らかにしている.そこで,CheY,CheZなどのタンパク質の局在の様子を明らかにする.
B02-2:固定子に蛍光標識を行うと回転方向により回転速度が異なる現象を見出している(CCW>CW).そこで固定子に付加するタンパク質の大きさ,電荷,疎水性,などをさまざまな状態のものを付加し,回転速度の変化を追う.
B02-3:4状態イジングモデルを用いて受容体におけるメチル化の動態を明らかにする.受容体の活性化は下流への情報伝達以外にも適応に関わるリン酸化も促進する。そこで、メチル化・脱メチルを考慮した4状態イジングモデルを構築し自発的な活性・不活性化を再現する.さらに,従来のモデルでは刺激時の反応を定常状態で扱っていたが,時系列の変化を終えるようモデルの再構築を行う.

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report

Research Products

(20 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (18 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Stator Dynamics Depending on Sodium Concentration in Sodium-Driven Bacterial Flagellar Motors2021

    • Author(s)
      Lin Tsai-Shun、Kojima Seiji、Fukuoka Hajime、Ishijima Akihiko、Homma Michio、Lo Chien-Jung
    • Journal Title

      Front Microbiol.

      Volume: 12 Pages: 765739-765739

    • DOI

      10.3389/fmicb.2021.765739

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Fluctuations in Intracellular CheY-P Concentration Coordinate Reversals of Flagellar Motors in E. coli2020

    • Author(s)
      Che Yong-Suk, Sagawa Takashi, Inoue Yuichi, Takahashi Hiroto, Hamamoto Tatsuki, Ishijima Akihiko, Fukuoka Hajime
    • Journal Title

      Biomolecules

      Volume: 10 Pages: 1544-1544

    • DOI

      10.3390/biom10111544

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Observation of behavior of flagella in Escherichia coli by using fluorescence staining2021

    • Author(s)
      Tatsuya Nakaue, Yong-Suk Che, Akihiko Ishijima, Hajime Fukuoka
    • Organizer
      The 59th Annual Meeting of the Biophysics Society of Japan
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Change in methylation level in receptor array causes coordinated reversal of flagellar motors on a single Escherichia coli cell2021

    • Author(s)
      Yumiko Uchida , Tatsuki Hamamoto , Yong-Suk Che , Akihiko Ishijima , Hajime Fukuoka
    • Organizer
      The 59th Annual Meeting of the Biophysics Society of Japan
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Quantification for mutant/WT receptors ratio that collapses receptor cooperativity and switching coordination between flagellar motors2021

    • Author(s)
      Shiori Awa, Yumiko Uchida, Hajime Fukuoka, Akihiko Ishijima, Yong-Suk Che
    • Organizer
      The 59th Annual Meeting of the Biophysics Society of Japan
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] High temporal observation of CheY-binding and dissociation during rotational switching of a single flagellar motor2021

    • Author(s)
      Taro Yuri, Yumiko Uchida, Yong-Suk Che, Akihiko Ishijima, Hajime Fukuoka
    • Organizer
      The 59th Annual Meeting of the Biophysics Society of Japan
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Simultaneous measurement for the stator-incorporation and the flagellar motor rotation2021

    • Author(s)
      Tomohiro Teshima, Yumiko Uchida, Yong-Suk Che, Akihiko Ishijima, Hajime Hukuoka
    • Organizer
      The 59th Annual Meeting of the Biophysics Society of Japan
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Simultaneous observation of chemotactic response and intracellular behavior of chemotaxis proteins at single E. coli cell.2020

    • Author(s)
      Taro Yuri, Takuma Nakagawa, Keisuke Nishitani, Yong-Suk Che, Yumiko Uchida, Akihiko Ishijima, Hajime Fukuoka
    • Organizer
      The 58th Annual Meeting of the Biophysics Society of Japan
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Simultaneous measurement of flagellar motor rotation and Dynamics of CheB localization during chemotactic response2020

    • Author(s)
      Keisuke Nishitani, Tatsuki Hamamoto, Yong-Suk Che, Akihiko Ishijima, Hajime Fukuoka
    • Organizer
      The 58th Annual Meeting of the Biophysics Society of Japan
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Elucidation of mechanism for adaptation system through the simultaneous observation CheYp by single cell FRET and flagellar motor rotation2020

    • Author(s)
      Takuma Nakagawa, Tatsuya Yamakoshi, Che Yong-Suk, Hajime Fukuoka, Akihiko Ishijima
    • Organizer
      The 58th Annual Meeting of the Biophysics Society of Japan
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] High temporal resolution measurement of rotational fluctuation of flagellar motor depending on rotational direction.2020

    • Author(s)
      Koki Murai, Akihiko Ishijima, Hajime Fukuoka
    • Organizer
      The 58th Annual Meeting of the Biophysics Society of Japan
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Requirement for Chemotaxis Protein CheR and CheB for the switching coordination between two flagellar motors on E. coli cell.2020

    • Author(s)
      Tatsuki Hamamoto, Yumiko Uchida, Yong-Suk Che, Akihiko Ishijima, Hajime Fukuoka
    • Organizer
      The 58th Annual Meeting of the Biophysics Society of Japan
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] The Chemotactic Response and Motor Function of a Bacterial Flagellar Motor in a Single Cell2020

    • Author(s)
      石島秋彦
    • Organizer
      Sensory Transduction in Microorganisms, Gordon Research Conference
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 大腸菌走化性応答と情報伝達の蛍光イメージング2020

    • Author(s)
      福岡 創,山越 達矢,西谷 恵輔,蔡 栄淑,石島 秋彦
    • Organizer
      2020年生体運動研究合同班会議
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Simultaneous measurement of flagellar motor rotation and CheYp concentration via single cell FRET2019

    • Author(s)
      Tatsuya Yamakoshi, Yong-Suk Che, Akihiko Ishijima, Hajime Fukuoka
    • Organizer
      第57回日本生物物理学会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Developing the detection system of the conformational change in rotating flagellar motor by single motor FRET2019

    • Author(s)
      Takuma Nakagawa 1, Tatsuya Yamakoshi, Yong-Suk Che, Akihiko Ishijima, Hajikme Fukuoka
    • Organizer
      第57回日本生物物理学会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 1細胞FRETによるべん毛モーター回転と情報伝達分子濃度の同時計測2019

    • Author(s)
      福岡 創
    • Organizer
      「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第1回領域会議
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] FRETによる回転する単一べん毛モーター構造変化の検出系の開発2019

    • Author(s)
      中川拓真
    • Organizer
      「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第1回領域会議
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 走化性の適応現象を担うCheBの細胞内動態と適応現象の1細胞同時計測2019

    • Author(s)
      西谷恵輔
    • Organizer
      「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第1回領域会議
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 高速カメラを用いたべん毛モーター回転の高時間分解能計測2019

    • Author(s)
      村井航希
    • Organizer
      「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第1回領域会議
    • Related Report
      2019 Annual Research Report

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Published: 2019-07-04   Modified: 2022-12-28  

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