相分離を介したシグナル伝達制御の構造基盤

• Project Area: Integrative understanding of biological signaling networks based on mathematical science
• Project/Area Number: 19H04945
• 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): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2019: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 液-液相分離 / LCタンパク質 / 天然変性タンパク質 / NMR / 相分離シャペロン / シャペロン / 立体構造解析 / 相互作用解析 / 複合体立体構造 / 過渡的相互作用 / 多量体

Outline of Research at the Start

これまでの多くのシグナル伝達研究においては，特定のタンパク質間の1:1相互作用における特異性の高いクロストークが注目されてきたが，この数年間で流動的な多量体形成によって支配されるシグナル伝達の重要性が認識されつつある．多量体形成によって，シグナルの増幅や閾値の設定，信号の持続，バックグラウンドノイズの排除などが可能なっていると考えられるが，その詳細なメカニズムは明らかにされていない．本研究では，溶液NMR法を用いた立体構造解析・相互作用解析によって多量体形成制御と，それによるシグナル伝達制御のメカニズム解明を目指す．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，弱く流動的な多量体型性によるシグナル伝達について分子レベルでの普遍的な理解を得ることを目指し，NMRを主体とした構造生物学研究を行った．これまでのシグナル伝達研究で対象とされてきた多くのタンパク質は，特異性の高い，1:1の強い結合によって機能するが，最近，多量体形成，特に弱く動的な多量体形成によって形成される液-液相分離を介するシグナル伝達が注目されるようになってきた．しかし，液-液相分離の形成や制御のメカニズムについての分子レベルでの理解は乏しく，シグナル伝達メカニズムの理解を妨げてきた．
本研究では，液-液相分離によって駆動される生命システムの分子メカニズムを明らかにするために，溶液NMRを主体とした構造解析・相互作用解析，および生化学実験に取り組んだ．特に，低複雑性 (LC) ドメインを持つ天然変性タンパク質，およびLCタンパク質の多量体形成や液-液相分離を制御する「相分離シャペロン」を対象とした．NMRを用いた相互作用解析等を行った結果，相分離シャペロンによるLCタンパク質の認識メカニズムの一端が明らかになった．さらに，神経変性疾患に関連する因子によって相分離シャペロンの機能が阻害されるメカニズムの一端を明らかにした．また，LCタンパク質の細胞内での翻訳後修飾についても評価たところ，細胞ストレスによってLCタンパク質の翻訳後修飾が変化することが明らかになった．今後，翻訳後修飾が相分離形成や相分離シャペロンによる認識に与える影響，さらにはそれによる機能調節などについての解明が期待される．

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

• [Int'l Joint Research] Korea Basic Science Institute(韓国)
• [Int'l Joint Research] University of Toronto(カナダ)
• [Int'l Joint Research] St. Jude Children's Research Hospital(米国)
• [Journal Article] Functional cooperativity between the trigger factor chaperone and the ClpXP proteolytic complex (2021)
  • Author(s): Rizzolo Kamran、Yu Angela Yeou Hsiung、Ologbenla Adedeji、Kim Sa-Rang、Zhu Haojie、Ishimori Koichiro、Thibault Guillaume、Leung Elisa、Zhang Yi Wen、Teng Mona、Haniszewski Marta、Miah Noha、Phanse Sadhna、Minic Zoran、Lee Sukyeong、Caballero Julio Diaz、Babu Mohan、Tsai Francis T. F.、Saio Tomohide、Houry Walid A.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 281-281
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20553-x
  • NAID: 120007186802
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A unique leucine-valine adhesive motif supports structure and function of protein disulfide isomerase P5 via dimerization (2021)
  • Author(s): Okumura M, Kanemura S., Matsusaki M., Kinoshita M., Saio T., Ito D., Hirayama C., Kumeta H., Watabe M., Amagai Y., Lee Y. H., Akiyama S. and Inaba K.
  • Journal Title: Structure Volume: 29 Issue: 12 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1016/j.str.2021.03.016
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Biological phase separation: cell biology meets biophysics (2020)
  • Author(s): Takuya Yoshizawa、Ryu-Suke Nozawa、Tony Z. Jia、Tomohide Saio、Eiichiro Mori
  • Journal Title: Biophysical Reviews Volume: 12 Issue: 2 Pages: 519-539
  • DOI: 10.1007/s12551-020-00680-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamics of proteins with different molecular structures under solution condition (2020)
  • Author(s): Inoue Rintaro、Oda Takashi、Nakagawa Hiroshi、Tominaga Taiki、Saio Tomohide、Kawakita Yukinobu、Shimizu Masahiro、Okuda Aya、Morishima Ken、Sato Nobuhiro、Urade Reiko、Sato Mamoru、Sugiyama Masaaki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 21678-21678
  • DOI: 10.1038/s41598-020-78311-4
  • NAID: 120007193758
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Distance Distribution between Two Iodine Atoms Derived from Small-Angle X-ray Scattering Interferometry for Analyzing a Conformational Ensemble of Heavy Atom-Labeled Small Molecules (2020)
  • Author(s): Taguchi Yuya、Saio Tomohide、Kohda Daisuke
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 11 Issue: 14 Pages: 5451-5456
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c01107
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solution NMR for investigation of liquid-liquid phase separation (2020)
  • Author(s): Saio Tomohide、Okumura Masaki、Lee Young-Ho
  • Journal Title: Journal of the Korean Magnetic Resonance Society Volume: 24 Pages: 47-52
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamic assembly of protein disulfide isomerase in catalysis of oxidative folding (2019)
  • Author(s): Okumura Masaki、Noi Kentaro、Kanemura Shingo、Kinoshita Misaki、Saio Tomohide、Inoue Yuichi、Hikima Takaaki、Akiyama Shuji、Ogura Teru、Inaba Kenji
  • Journal Title: Nature Chemical Biology Volume: 15 Issue: 5 Pages: 499-509
  • DOI: 10.1038/s41589-019-0268-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Accelerating structural life science by paramagnetic lanthanide probe methods (2019)
  • Author(s): Saio Tomohide、Ishimori Koichiro
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects Volume: － Issue: 2 Pages: 129332-129332
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2019.03.018
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Toxic PR poly-dipeptides encoded by the C9orf72 repeat expansion target Kapβ2 and dysregulate phase separation of low-complexity domains. (2019)
  • Author(s): Nanaura H, Kawamukai H, Fujiwara A, Uehara T, Nakanishi M, Shiota T, Hibino M, Aiba Y, Wiriyasermkul P, Kikuchi S, Nagata R, Matsubayashi M, Nagamori S, Shoji O, Ishimori K, Matsumura H, Sugie K, Saio T*, Yoshizawa T*, Mori E
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/812099
  • Open Access
• [Journal Article] Structural Basis for Protein Folding and Holding Mediated by Molecular Chaperones (2019)
  • Author(s): 斉尾智英, 石森 浩一郎
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 59 Issue: 4 Pages: 197-201
  • DOI: 10.2142/biophys.59.197
  • NAID: 130007683544
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Mechanistic insights into a molecular chaperone in protein folding and degradation (2021)
  • Author(s): Tomohide Saio
  • Organizer: 2021 virtual Cold Spring Harbor Asia Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] シャペロンから理解する細胞内タンパク質の動態制御メカニズム (2020)
  • Author(s): 齋尾 智英
  • Organizer: 第93回日本生化学会
  • Invited
• [Presentation] Exploiting paramagnetic metal ions for protein structural study in solution (2020)
  • Author(s): 齋尾 智英, 石森 浩一郎
  • Organizer: 第 58 回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 常磁性金属と分子シャペロン (2020)
  • Author(s): 齋尾 智英
  • Organizer: 2020年度日本分光学会NMR分光部会 集中講義
  • Invited
• [Presentation] On and off between molecular chaperones and clients: Appropriate distance and timing for protein folding (2020)
  • Author(s): Tomohide Saio
  • Organizer: 21st Hokudai-RIES International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Applications of paramagnetic lanthanide ions in NMR and ESR (2019)
  • Author(s): Tomohide Saio
  • Organizer: International IPR Seminar -Open up a new era of structural biology with advanced NMR study-
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structural and kinetic insights into molecular chaperones (2019)
  • Author(s): Tomohide Saio
  • Organizer: International Symposium on Protein Folding and Misfolding-related Aggregation
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structural and kinetic basis for functional modulation of a molecular chaperone (2019)
  • Author(s): Tomohide Saio
  • Organizer: 8th Asia-Pacific NMR Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Exploring conformational states of a protein enzyme using paramagnetic lanthanide ions (2019)
  • Author(s): Tomohide Saio
  • Organizer: Biometal Science 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 低複雑性タンパク質の液-液相分離の制御と破綻のメカニズム: NMRによる解析 (2019)
  • Author(s): 齋尾 智英
  • Organizer: 第 4 回 LLPS 研究会・ASUKA 若手交流会 2019
  • Invited
• [Presentation] Structure and dynamics of molecular chaperones in protein folding, holding, and degradation (2019)
  • Author(s): 齋尾 智英
  • Organizer: 第2回 タンパク質可塑性についての研究会 －タンパク質と人工分子のダイナミクスと機能相関－
  • Invited
• [Presentation] 金属イオンを用いたSAXSとNMRによるマルチドメインタンパク質の動的構造解析 (2019)
  • Author(s): 齋尾 智英
  • Organizer: PF研究会 -BioSASが拓く生体高分子の分子間相互作用解析の最前線-
  • Invited
• [Presentation] タンパク質フォールディングにおける分子シャペロンの機能とメカニズム: 立体構造と速度論からのアプローチ (2019)
  • Author(s): 齋尾 智英
  • Organizer: 第92 回 日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 細胞内恒常性維持を担うシャペロンの動的構造基盤と制御 (2019)
  • Author(s): 齋尾 智英
  • Organizer: 日本生化学会北海道支部 第56 回支部例会
  • Invited
• [Presentation] Protein structure and dynamics by solution NMR (2019)
  • Author(s): Tomohide Saio
  • Organizer: ASUKA Symposium 2019
  • Invited
• [Presentation] 細胞内恒常性維持を担うシャペロンの動的構造基盤と制御 (2019)
  • Author(s): 齋尾 智英
  • Organizer: 日本化学会北海道支部 奨励賞受賞講演
  • Invited
• [Presentation] Conformational ensemble of a multidomain protein MurD visualized by paramagnetic lanthanide probe methods in NMR and EPR (2019)
  • Author(s): 斉尾 智英，平松 蒼野，浅田 瑞枝，瀧下 俊平，中川 洋，中村 敏和，石森 浩一郎
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会 第71回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] 常磁性ランタノイドイオンを用いたNMRとEPRによるマルチドメインタンパク質の構造解析 (2019)
  • Author(s): 斉尾 智英，平松 蒼野，浅田 瑞枝，瀧下 俊平，齋藤 彦太，中村 敏和，石森 浩一郎
  • Organizer: 第58回 NMR討論会SEST2019連合大会
• [Remarks] 徳島大学藤井節郎記念医科学センター分子生命科学研究室
  • URL: https://www.fujii.tokushima-u.ac.jp/mls/
• [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
  • URL: https://wwwchem.sci.hokudai.ac.jp/~stchem/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 液滴及びその製造方法 (2020)
  • Inventor(s): 奥村正樹，松﨑元 紀，金村進吾，稲葉 謙次，齋尾智英
  • Industrial Property Rights Holder: 奥村正樹，松﨑元 紀，金村進吾，稲葉 謙次，齋尾智英
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2020-100517
  • Filing Date: 2020