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Naイオン輸送性V型ATP加水分解酵素のエネルギー変換機構、機能分化機構の解明

Research Project

Project/Area Number 18J23220
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Biophysics
Research InstitutionThe Graduate University for Advanced Studies

Principal Investigator

飯田 龍也  総合研究大学院大学, 物理科学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2018-04-25 – 2021-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
Fiscal Year 2019: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
KeywordsEnterococcus hirae / 回転分子モーター / V1-ATPase / VoV1 / 1分子計測 / 化学力学共役機構 / サブステップ / バックステップ / V-ATPase
Outline of Annual Research Achievements

当該年度には、これまでに行ってきた腸内連鎖球菌 (Enterococcus hirae) に由来する回転分子モーターV1-ATPase (EhV1) の1分子解析の結果をまとめた論文を執筆し、V型ATPase 全複合体 (EhVoV1) の1分子解析に移行した。
まず、これまでの研究結果をまとめ、EhV1の化学力学共役機構のモデルを説明した論文を執筆しJournal of Biological Chemistryから出版された。論文中ではEhV1の1分子解析の結果から、1個のATPの加水分解に相当する120°の回転がさらに40°と80°のサブステップに分離できることを初めて報告し、さらにそれぞれがATP加水分解反応の4つの素過程(ATPの結合、ATPの開裂によるADPとリン酸の生成、ADPの解離、リン酸の解離)のうちATPの結合とADPの解離に対応することを明らかにした。また、既に報告されているX線結晶構造解析による構造情報と組み合わせることで、EhV1の化学力学共役機構のモデルを提案した。この論文で報告したEhV1の化学力学共役機構はF-ATPase由来のF1とは異なっており、この違いがF-ATPaseとV-ATPaseの生理的な役割と密に関係していることが示唆された。
次に、高濃度および低濃度のNaイオン条件下でEhVoV1のATP加水分解駆動の1分子解析を行い、Naイオン濃度を下げていくことで、回転速度が低下することを確認した。これは、Naイオンを輸送するVoドメインへのNaイオンの結合が律速段階になるためだと考えられる。また、低Naイオン濃度下において1回転の間に約10箇所の停止点が確認された。Voドメインは、Naイオン結合サイトを有する10個のcサブユニットを持っており、1回転するごとに10個のNaイオンを輸送するため、これが約10箇所の停止点に対応していることが示唆される。今後、Naイオン結合律速の回転における停止時間や停止角度の解析などを行うことで、VoとV1の間の共役機構を解明できると期待される。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

計画では、申請から採用までの期間に、1分子計測でEhV1の化学力学共役機構を解明した論文を投稿し、1年目にはEhVoV1の生化学計測と1分子計測へと移行する予定であった。しかし実際は、EhV1に関する追加実験を優先してから論文の執筆に取りかかった。初めての原著論文ということもあり、当初の予想よりも完成に長い時間を要したが論文は本年度に投稿し出版された。
上記の様に1年目は当初の計画と異なり、EhV1の化学力学共役機構解明のための追加実験の遂行、および論文執筆にほぼ全ての時間を費やした。しかしながら上記論文は、V1-ATPaseの化学力学共役の詳細を明らかにした初めての成果であり、関連分野にとって重要な進捗があったと言える。
そして、2年目にようやくEhVoV1の1分子計測に取りかかることになったが、研究代表者の学生の休学に伴い、本年度2月以降の特別研究員を辞退することとなった。本研究課題の計画をすべて遂行することはできなかったものの、目標のひとつに挙げていた、低Naイオン濃度条件下におけるVoのNaイオン輸送が律速となる回転を観察することに成功した。これは今後、VoとV1の共役機構を解明していく上で重要な進捗であったと言える。

Strategy for Future Research Activity

申請者が所属大学院休学のため中途辞退。

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • Research Products

    (6 results)

All 2019 2018

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (5 results)

  • [Journal Article] Single-molecule analysis reveals rotational substeps and chemo-mechanical coupling scheme of Enterococcus hirae V1-ATPase2019

    • Author(s)
      Iida Tatsuya、Minagawa Yoshihiro、Ueno Hiroshi、Kawai Fumihiro、Murata Takeshi、Iino Ryota
    • Journal Title

      Journal of Biological Chemistry

      Volume: 294 Issue: 45 Pages: 17017-17030

    • DOI

      10.1074/jbc.ra119.008947

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 金ナノ粒子を用いた1分子解析によるEnterococcus hirae由来V1-ATPaseの化学力学共役機構の解明2019

    • Author(s)
      飯田龍也、皆川慶嘉、上野博史、河合文啓、村田武士、飯野亮太
    • Organizer
      新学術領域「発動分子科学」 第2回発動分子班会議
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 1分子計測による腸内連鎖球菌由来の回転分子モーターV1-ATPaseの化学力学共役機構の解明2019

    • Author(s)
      飯田龍也、皆川慶嘉、上野博史、河合文啓、村田武士、飯野亮太
    • Organizer
      日本生物物理学会 第57回年会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Chemo-Mechanical Coupling Scheme of Enterococcus hirae V1-ATPase Revealed by Single-Molecule Analysis Using Gold Nanoparticle Probe.2019

    • Author(s)
      飯田龍也、皆川慶嘉、上野博史、河合文啓、村田武士、飯野亮太
    • Organizer
      2nd Tokyo ATPase Workshop
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 高濃度リン酸存在下でのEnterococcus hirae由来V1-ATPaseの1分子回転解析2019

    • Author(s)
      ○飯田龍也、皆川慶嘉、上野博史、河合文啓、村田武士、飯野亮太
    • Organizer
      日本生物物理学会 平成30年度中部支部講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Chemo-mechanical coupling scheme of rotary molecular motor V1-ATPase revealed by single-molecule analysis2018

    • Author(s)
      ○Tatsuya Iida, Yoshihiro Minagawa, Hiroshi Ueno, Fumihiro Kawai, Takeshi Murata, and Ryota Iino
    • Organizer
      The 79th Okazaki Conference
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-05-01   Modified: 2024-03-26  

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