Elucidation of circadian oscillation mechanism mediated by clock protein complexes

• Project/Area Number: 18J21063
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Structural biochemistry
• Research Institution: Nagoya City University
• Principal Investigator: 柚木 康弘 名古屋市立大学, 薬学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 概日リズム / 超分子質量分析 / 核磁気共鳴法 / シアノバクテリア / 時計タンパク質

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、昨年度までに構築したKaiタンパク質間相互作用解析の技術基盤の下に、不均一なリン酸化状態を模倣したKaiC6量体を対象としてKaiA、KaiBとの相互作用解析に取り組んだ。
KaiAとの相互作用に関しては、KaiC6量体を構成する脱リン酸化状態のサブユニットとリン酸化状態にあるサブユニットが独立に振舞っており、脱リン酸化状態のサブユニットのみがKaiAとの結合に与っていることを示した。さらに、KaiBとの相互作用には、KaiC6量体中で少なくとも4つのサブユニットがリン酸化状態にあることが必要であり、KaiC6量体を構成するサブユニット間の協同的な振る舞いが重要であることを示した。
一方、溶液散乱とゲルろ過クロマトグラフィー法を応用してKaiA-KaiB-KaiC三者複合体の構造情報を取得した。それに基づいて構築した3次元構造モデルを対象に分子動力学シミュレーションによって構造安定性を評価し、三者複合体の構造モデルを提案した。興味深いことに、本複合体において、KaiBと相互作用しているKaiAのNドメインはCドメインを覆っており、これにより他のKaiC6量体との相互作用が妨げられていることがみてとれる。
さらには、KaiAとKaiB存在下において、KaiC6量体は特定のリン酸化状態でサブユニットの交換が亢進することを見出した。
以上を総合して、当初の計画以上に研究は進展したものと判断した。本研究を通じて、KaiC6量体のリン酸化という微視的状態の変化が、Kaiタンパク質間の巨視的な相互作用を制御する仕組みの一端を明らかにすることができた。本研究の成果は、分子集団として概日リズムを司る時計タンパク質の相互作用の制御機構の理解に資するものである。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Deuteration Aiming for Neutron Scattering (2021)
  • Author(s): Okuda Aya、Inoue Rintaro、Morishima Ken、Saio Tomohide、Yunoki Yasuhiro、Yagi-Utsumi Maho、Yagi Hirokazu、Shimizu Masahiro、Sato Nobuhiro、Urade Reiko、Kato Koichi、Sugiyama Masaaki
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 18 Issue: 0 Pages: 16-27
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v18.003
  • NAID: 130008000165
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ATP hydrolysis by KaiC promotes its KaiA binding in the cyanobacterial circadian clock system (2019)
  • Author(s): Yunoki Yasuhiro、Ishii Kentaro、Yagi-Utsumi Maho、Murakami Reiko、Uchiyama Susumu、Yagi Hirokazu、Kato Koichi
  • Journal Title: Life Science Alliance Volume: 2 Issue: 3 Pages: 1-7
  • DOI: 10.26508/lsa.201900368
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cooperative binding of KaiB to the KaiC hexamer ensures the accurate circadian clock oscillation in cyanobacteria (2019)
  • Author(s): Reiko Murakami, Yasuhiro Yunoki, Kentaro Ishii, Kazuki Terauchi, Susumu Uchiyama, Hirokazu Yagi, Koichi Kato
  • Journal Title: Int. J. Mol. Sci. Volume: 20 Issue: 18 Pages: 4550-4550
  • DOI: 10.3390/ijms20184550
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Kai proteins interaction mechanism regulated by phosphorylation and nucleotide states in KaiC hexamer (2021)
  • Author(s): 柚木康弘、兒玉篤治、矢木真穂、谷中冴子、内山 進、矢木宏和、加藤晃一
  • Organizer: 第3回ExCELLS 若手リトリート
• [Presentation] 概日リズムを司るKaiタンパク質間の相互作用の制御 (2021)
  • Author(s): 柚木康弘、兒玉篤治、矢木真穂、谷中冴子、内山 進、矢木宏和、加藤晃一
  • Organizer: 令和2年度 生物物理学会中部支部会
• [Presentation] KaiC ATP hydrolysis controls its binding to Kai proteins in the cyanobacteria circadian clock system. (2020)
  • Author(s): Yasuhiro Yunoki, Kentaro Ishii, Maho Yagi-Utsumi, Reiko Murakami,Atsuji Kodama, Kazuki Terauchi, Susumu Uchiyama, Hirokazu Yagi, Koichi Kato
  • Organizer: Yasuhiro Yunoki, Kentaro Ishii, Maho Yagi-Utsumi, Reiko Murakami,Atsuji Kodama, Kazuki Terauchi, Susumu Uchiyama, Hirokazu Yagi, Koichi Kato
• [Presentation] Solution structure of the circadian clock protein complex characterized by a combination ap-proach involving solution scattering and computational methods (2020)
  • Author(s): 柚木康弘、矢木宏和、守島 健、松本 淳、佐藤信浩、Lionel Porcar、Anne Martel、井上倫太郎、寺内一姫、河野秀俊、加藤晃一、杉山正明
  • Organizer: 京大複合原子力科学研究所第54回学術講演会
• [Presentation] 時計タンパク質KaiCによるATP加水分解に依存したKaiタンパク間相互作用の制御メカニズムの解明 (2019)
  • Author(s): Yasuhiro Yunoki, Hirokazu Yagi, Maho Yagi-Utsumi, Kentaro Ishii, Reiko Murakami, Susumu Uchiyama, Koichi Kato
  • Organizer: 第20回若手NMR研究会
• [Presentation] ATP hydrolysis by KaiC regulates its binding to Kai proteins in the cyanobacterial circadian clock system (2019)
  • Author(s): 柚木康弘、石井健太郎、矢木真穂、村上怜子、寺内一姫、内山 進、矢木宏和、加藤晃一
  • Organizer: 第26回日本時間生物学会学術大会
• [Presentation] Native mass spectrometric analysis of the interplay among circadian clock proteins (2019)
  • Author(s): 柚木康弘、兒玉篤治、石井健太郎、矢木真穂、村上怜子、寺内一姫、内山 進、矢木宏和、加藤晃一
  • Organizer: 第2回ExCELLSシンポジウム
• [Presentation] "KaiA-KaiC interaction was triggered by the conformational changes of KaiC flexible C-terminal segments mediated by its ATP hydrolysis " (2019)
  • Author(s): Yasuhiro Yunoki, Hirokazu Yagi, Maho Yagi-Utsumi, Kentaro Ishii, Reiko Murakami, Susumu Uchiyama, Koichi Kato
  • Organizer: 2018年度ExCELLS若手リトリート
• [Presentation] ATP hydrolysis within KaiC hexamer induces conformational changes in its C-terminal segments, thereby promoting their interaction with KaiA (2018)
  • Author(s): Yasuhiro Yunoki, Hirokazu Yagi, Maho Yagi-Utsumi, Kentaro Ishii, Reiko Murakami, Susumu Uchiyama, Koichi Kato
  • Organizer: 第18回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] In the cyanobacterial circadian rhythm, KaiC ATP hydrolysis regulates KaiA-KaiC interaction through the conformational changes in its flexible C-terminal segments. (2018)
  • Author(s): Yasuhiro Yunoki, Hirokazu Yagi, Maho Yagi-Utsumi, Kentaro Ishii, Reiko Murakami, Susumu Uchiyama, Koichi Kato
  • Organizer: Frontier Bioorganization Forum 2018
• [Presentation] ATP加水分解による時計タンパク質間の相互作用の制御 (2018)
  • Author(s): 柚木康弘, 矢木宏和, 矢木真穂, 石井健太郎, 村上怜子, 内山進, 加藤晃一
  • Organizer: 第19回若手NMR研究会
• [Presentation] KaiA-KaiC interaction is regulated by KaiC ATP hydrolysis through the conformational changes in its flexible C-terminal segments (2018)
  • Author(s): Yasuhiro Yunoki, Hirokazu Yagi, Maho Yagi-Utsumi, Kentaro Ishii, Reiko Murakami, Susumu Uchiyama, Koichi Kato
  • Organizer: 第１回 ExCELLSシンポジウム