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超低温保存が可能な種子における天然変性蛋白質の卓越した保護活性の分子機構

Research Project

Project/Area Number 18H02222
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 39060:Conservation of biological resources-related
Research InstitutionShizuoka University

Principal Investigator

原 正和  静岡大学, 創造科学技術大学院, 教授 (10293614)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 今井 亮三  国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 生物機能利用研究部門, グループ長 (90291913)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2018: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
Keywordsデハイドリン / タンパク質保護 / 天然変性タンパク質 / 超低温保存 / 蛋白質保護 / 天然変性蛋白質
Outline of Annual Research Achievements

植物の種子には、超低温保存が可能なもの(オーソドックス種子)と、冷蔵保温すら不可能なもの(レカルシトラント種子)がある。しかし、この違いの分子的要因は未だ解明されていない。本研究の実施者は、種子の低温保存性に関与する種子胚タンパク質デハイドリンについて研究している。デハイドリンは植物固有の天然変性タンパク質であり、その保存領域は低温感受性モデル酵素(乳酸脱水素酵素LDH)の超低温失活を0.001%レベルでほぼ完全に抑止する。この活性は通常の保護剤の約1,000倍に達する。本研究では、デハイドリン保存領域による超低温保護活性のメカニズムを究明する。
昨年度までに、シロイヌナズナデハイドリンAtHIRD11に関し、LDHの凍結保護機構について研究してきた。その結果AtHIRD11はLDHに結合せずに作用すること、保護作用には疎水性アミノ酸が必要であること、液性を疎水性にすると変性状態からヘリックス状態へ構造変化することが判明した。これらのデータを総合的に勘案すると、従来の保護剤の作用仮説、つまり選択的排除説または分子シールド説とは異なる説を想定する必要が生じ、一過的疎水性相互作用説を提唱した(米国生物物理学専門誌に掲載)。
本年度は、計画にあるようにAtHIRD11以外の植物タンパク質の凍結保護活性の探索を行った。その結果、ダイコンからデハイドリン以上の保護活性を有するタンパク質を精製した。本タンパク質はダイコンの液胞に存在するカルシウム結合タンパク質として過去に研究されたものであった。今回、ダイコンおろしから従来の約4,000倍の収率で精製する方法を見出し、その保護活性ドメインの同定にも成功した。さらに、新たにデハイドリンのリポソーム凍結保護活性を見出しその作用ドメインがLDHの場合と同様Kセグメントであるという結果を得た。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

昨年度、シロイヌナズナデハイドリンAtHIRD11のLDH保護作用機構が概ね明らかになり、一過的疎水性相互作用説を提唱するに至った。本年度は研究計画に即し、AtHIRD11以外の凍結保護活性を有する植物タンパク質の探索を行った。その結果、身近な野菜であるダイコンから、AtHIRD11を上回る活性を示す天然変性タンパク質を見出し同定した。本タンパク質はデハイドリンとは関連のない配列を有していた。また、AtHIRD11がリポソームの凍結凝集を抑制することを明らかにし、保護配列であるKセグメントが活性部位であることを確定した。以上の成果は、生体高分子並びにコロイドに関する国際専門誌に掲載された。よって上記の評価とした。

Strategy for Future Research Activity

昨年度までに、デハイドリンの凍結保護作用機構の解明と新たな凍結保護タンパク質の探索を行った。以上の結果を統合すると、凍結保護活性を有するタンパク質は天然変性状態であるとともに一過的疎水性相互作用機構に基づいて機能することが判明しつつある。しかしこの共通原則は、LDHを使った凍結試験によって導かれており、普遍化には議論の余地がある。そこでLDHとは異なるタンパク質やリポソームに対する凍結保護機構を、デハイドリンとダイコン天然変性タンパク質の両方で研究する。最終的に、植物天然変性タンパク質の凍結保護作用に関し、作用機構を包括的に解明する。さらに、植物体のデハイドリンの役割についても研究を進める。

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(13 results)

All 2022 2021 2020 2019 2018 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Inhibition of cryoaggregation of phospholipid liposomes by an Arabidopsis intrinsically disordered dehydrin and its K-segment2022

    • Author(s)
      Kimura Y, Ohkubo T, Shimizu K, Magata Y, Park EY, Hara M
    • Journal Title

      Colloids and Surfaces B: Biointerfaces

      Volume: 211 Pages: 112286-112286

    • DOI

      10.1016/j.colsurfb.2021.112286

    • NAID

      120007180319

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] An intrinsically disordered radish vacuolar calcium-binding protein (RVCaB) showed cryoprotective activity for lactate dehydrogenase with its hydrophobic region.2021

    • Author(s)
      Honami Osuda, Yui Sunano, Masakazu Hara
    • Journal Title

      International Journal of Biological Macromolecules

      Volume: 182 Pages: 1130-1137

    • DOI

      10.1016/j.ijbiomac.2021.04.056

    • NAID

      120007032775

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Cryoprotective activity of Arabidopsis KS-type dehydrin depends on the hydrophobic amino acids of two active segments.2020

    • Author(s)
      Tomoka Yokoyama, Tomohiro Ohkubo, Keita Kamiya, Masakazu Hara
    • Journal Title

      Archives of Biochemistry and Biophysics

      Volume: 691

    • DOI

      10.1016/j.abb.2020.108510

    • NAID

      120006872376

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] F-segments of Arabidopsis dehydrins show cryoprotective activities for lactate dehydrogenase depending on the hydrophobic residues2020

    • Author(s)
      Tomohiro Ohkubo, Ayuko Kameyama, Keita Kamiya, Mitsuru Kondo, Masakazu Hara
    • Journal Title

      Phytochemistry

      Volume: 173 Pages: 112300-112300

    • DOI

      10.1016/j.phytochem.2020.112300

    • NAID

      120006824776

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] デハイドリンおよび保存配列のリポソーム凍結凝集抑制に関する研究2021

    • Author(s)
      木村 友紀、大久保 智博、清水 広介、間賀田 泰寛、朴 龍洙、原 正和
    • Organizer
      第38回日本植物バイオテクノロジー(つくば)学会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] シロイヌナズナデハイドリンの乳酸脱水素酵素凍結保護活性における疎水性アミノ酸の役割2019

    • Author(s)
      横山 知佳、大久保 智博、神谷 慶太、原 正和
    • Organizer
      第37回日本植物細胞分子生物学会(京都)大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] デハイドリンの凍結保護活性に対する疎水性アミノ酸の重要性2019

    • Author(s)
      大久保 智博、神谷 慶太、亀山 阿由子、原 正和
    • Organizer
      第37回日本植物細胞分子生物学会(京都)大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Proteins in seeds for surviving under deep freeze conditions2019

    • Author(s)
      Masakazu Hara
    • Organizer
      2019 National Tsing Hua University-Shizuoka University Bilateral Symposium
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Adaptation of plants to extreme temperatures -Key proteins in seeds for surviving under deep freeze conditions-2019

    • Author(s)
      Masakazu HARA
    • Organizer
      Universiti Teknologi Malaysia, 2nd International Postgraduate Symposium in Biotechnology 2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] シロイヌナズナデハイドリンのnon-Kセグメントの酵素凍結保護活性における役割2019

    • Author(s)
      大久保智博、神谷慶太、亀山阿由子、原正和
    • Organizer
      日本農芸化学会2019年度大会[東京]
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] デハイドリンCOR47の非Kセグメント領域の酵素凍結保護活性に関する研究2018

    • Author(s)
      大久保智博、神谷慶太、亀山阿由子、原正和
    • Organizer
      日本農芸化学会中部支部第183回例会[名古屋]
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Remarks] 静岡大学農学部植物機能生理学研究室(原)

    • URL

      https://www.agr.shizuoka.ac.jp/abc/envplant/index.html

    • Related Report
      2021 Annual Research Report 2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 研究室ホームページ

    • URL

      http://www.agr.shizuoka.ac.jp/abc/envplant/index.html

    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-04-23   Modified: 2022-12-28  

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