NMRを主体としたタンパク質構造推移解析のための複合手法の開発と応用

• Project Area: Novel measurement techniques for visualizing 'live' protein molecules at work
• Project/Area Number: 15H01624
• 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: Hokkaido University
• Principal Investigator: 齋尾 智英 北海道大学, 理学研究院, 助教 (80740802)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2016: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2015: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: NMR / MurD / ランタニドイオン / 常磁性 / 核磁気共鳴法 / マルチドメインタンパク質 / 常磁性ランタニド / ダイナミクス / 高速AFM / 細胞壁合成 / 構造変化 / 活性制御

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，常磁性ランタニドプローブを用いた溶液NMR法を主体とした複合的アプローチによって，タンパク質，特にマルチドメインタンパク質の立体構造変化を定量的に捉える手法の開発を行うことを計画した．細菌の細胞壁合成に関わる47 kDaマルチドメインタンパク質MurDをモデルとし，手法の確立を目指した． 常磁性ランタニドイオンを用いたNMR法を駆使したこれまでの我々の研究によって，リガンド結合に伴うMurDの立体構造変化を定量的に解析することに成功している (Saio et al. 2015 Sci Rep)．今年度はさらに研究を発展させ，ESRやSAXSなど，NMR以外の手法を用いた立体構造変化の解析に取り組んだ．
SAXSにおいては，タンパク質の2箇所にランタニドイオンを固定しランタニドイオン間の散乱干渉から2点間の距離情報を抽出することを試みた．通常のSAXS測定においては，ランタニドイオン間の散乱干渉に加え，タンパク質中の原子間やタンパク質ーランタニドイオン間に起因する散乱の総和 が観測される．そこからランタニドイオン間の散乱干渉を抽出するためにリファレンスの差し引きや高濃度スクロース溶液を用いたコントラストマッチングなどを検討した結果，ランタニドイオン間の相関に起因すると考えられる散乱を抽出することに成功した．
ESRにおいては，タンパク質の2箇所に常磁性ランタニドイオンGd3+を固定し，PELDOR測定によってGd3+間の距離を測定することを試みた. MurDの同一ドメイン上の2箇所にGd3+を固定したサンプルに対してPELDOR測定を行い，Gd3+間の距離を決定することに成功した．我々のこれまでのNMR解析から予想された距離 (Saio et al. 2015 ) ともよく一致し，ESR測定によるGd3+間の距離の決定が高精度で可能であることが実証された．

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Ligand-driven conformational changes of MurD visualized by paramagnetic NMR. (2015)
  • Author(s): Saio T, Ogura K, Kumeta H, Kobashigawa Y, Shimizu K, Yokochi M, Kodama K, Yamaguchi H, Tsujishita H, Inagaki F.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 5 Issue: 1 Pages: 16685-16685
  • DOI: 10.1038/srep16685
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] パルスESRとGd3+を用いたマルチドメイン蛋白質MurDの構造変化解析 (2017)
  • Author(s): 平松 蒼野，齋尾 智英，浅田 瑞枝，瀧下 俊平，稲垣 冬彦，中村 敏和，石森 浩一郎
  • Organizer: 第17回 日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター (宮城県・仙台市)
  • Year and Date: 2017-06-20
• [Presentation] Exploring conformational equilibria of a multi-domain protein MurD by paramagnetic lanthanide probe in NMR and EPR (2017)
  • Author(s): Tomohide Saio, Soya Hiramatsu, Mizue Asada, Shunpei Takishita, Toshikazu Nakamura, Koichiro Ishimori
  • Organizer: 第17回 日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター (宮城県・仙台市)
  • Year and Date: 2017-06-20
  • Invited
• [Presentation] パルスESRとガドリニウムタグを用いたマルチドメイン蛋白質MurDの構造変化解析 (2017)
  • Author(s): 平松 蒼野，齋尾 智英，浅田 瑞枝，瀧下 俊平，稲垣 冬彦，中村 敏和，石森 浩一郎
  • Organizer: 化学系学協会北海道支部2017冬季研究発表会
  • Place of Presentation: 北海道大学 (北海道・札幌市)
• [Presentation] Visualizing conformational changes of MurD by paramagnetic lanthanide probe (2016)
  • Author(s): Tomohide Saio
  • Organizer: The 5th International Symposium on Drug Discovery and Design by NMR
  • Place of Presentation: 理化学研究所横浜事業所 (神奈川県・横浜市)
  • Year and Date: 2016-08-29
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Dynamic Structural Changes Of A Multi-Domain Protein Probed By Paramagnetic NMR (2016)
  • Author(s): Shumpei Takishita, Tomohide Saio, Hiroyuki Kumeta, Fuyuhiko Inagaki, Koichiro Ishimori
  • Organizer: The XXVIIth International Conference on Magnetic Resonance in Biological Systems
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館 (京都府・京都市)
  • Year and Date: 2016-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ランタノイドイオンを用いたマルチドメインタンパク質の動的解析 (2016)
  • Author(s): 瀧下 俊平，齋尾 智英，久米田 博之，稲垣 冬彦，石森 浩一郎
  • Organizer: 第16回 日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場 (福岡県・福岡市)
  • Year and Date: 2016-06-07
• [Presentation] マルチドメインタンパク質の動的構造変化の解析への常磁性ランタノイドプローブを 用いたNMR法の応用 (2016)
  • Author(s): 瀧下 俊平, 齋尾 智英, 久米田 博之, 稲垣 冬彦, 石森 浩一郎
  • Organizer: 日本生物物理学会北海道支部例会
  • Place of Presentation: 北海道大学 (北海道札幌市)
  • Year and Date: 2016-03-14
• [Presentation] ランタニドプローブ法を用いたマルチドメインタンパク質の構造推移解析 (2015)
  • Author(s): 斉尾 智英，小椋 賢治，瀧下 俊平，石森 浩一郎，稲垣 冬彦
  • Organizer: 第54回NMR討論会
  • Place of Presentation: 千葉工業大学津田沼キャンパス (千葉県習志野市)
  • Year and Date: 2015-11-06
• [Presentation] リガンドにより誘起されるMurD構造推移のNMR解析 (2015)
  • Author(s): 斉尾 智英，小椋 賢治，石森浩一郎，稲垣 冬彦
  • Organizer: 第 28 回バイオメディカル分析科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 長崎大学文教キャンパス (長崎県長崎市)
  • Year and Date: 2015-08-21
  • Invited
• [Presentation] NMRランタニドプローブ法によるMurDの構造推移解析 (2015)
  • Author(s): 斉尾 智英、小椋 賢治、清水 和美、久米田 博之、瀧下 俊平、石森 浩一郎、稲垣 冬彦
  • Organizer: 第42回生体分子科学討論会
  • Place of Presentation: 高崎シティギャラリーコアホール (群馬県高崎市))
  • Year and Date: 2015-06-12
• [Book] Advanced Methods in Structural Biology, Chapter 17, NMR Structural Biology Using Paramagnetic Lanthanide Probe. (2016)
  • Author(s): Tomohide Saio, Fuyuhiko Inagaki.
  • Total Pages: 340
  • Publisher: Tokyo: Springer Japan
• [Book] Advanced Methods in Structural Biology, Chapter 20, NMR Structural Biology using Paramagnetic Lanthanide Probe (2016)
  • Author(s): Tomohide Saio, Fuyuhiko Inagaki
  • Publisher: Springer
• [Remarks] 北海道大学大学院理学研究院化学部門 構造化学研究室 ホームページ 研究概要
  • URL: http://wwwchem.sci.hokudai.ac.jp/~stchem/research-outline/
• [Remarks] タンパク質の立体構造変化を迅速に解析する手法を開発 ~新規薬剤開発への展開へ期待~
  • URL: https://www.hokudai.ac.jp/news/151120_cris_pr.pdf
• [Remarks] 〈リリース〉稲垣研究室の研究成果をリリースしました（疾患関連タンパク質構造解析ハブ）
  • URL: http://www.cris.hokudai.ac.jp/cris/innovahome/press/press_20151215.html