高速分子動画法によるタンパク質非平衡状態構造解析と分子制御への応用

• 研究領域: 高速分子動画法によるタンパク質非平衡状態構造解析と分子制御への応用
• 研究課題/領域番号: 19H05776
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 岩田 想 京都大学, 医学研究科, 教授 (60452330)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 61,620千円 (直接経費: 47,400千円、間接経費: 14,220千円); 2023年度: 12,090千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 2,790千円); 2022年度: 12,090千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 2,790千円); 2021年度: 12,090千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 2,790千円); 2020年度: 12,090千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 2,790千円); 2019年度: 13,260千円 (直接経費: 10,200千円、間接経費: 3,060千円)
• キーワード: 構造生物学 / 計算科学 / ケミカルバイオロジー / ビームラインテクノロジー / 光薬理学 / 光遺伝学 / 分光学 / 動的構造解析 / 分子動画 / X線自由電子レーザー / 生体高分子 / 分子制御 / 総括班 / 高速分子動画 / タンパク質 / 構造解析

研究開始時の研究の概要

生命現象を支えているタンパク質の機能やその機構を理解するためには、タンパク質の中で実際におこっている化学変化や構造変化を追跡することが不可欠である。X線自由電子レーザーを用いて、タンパク質の中で起こる非常に早い化学反応等を他の手法では全く考えられない時間分解能と空間分解能を併せ持った“分子動画”として観察する手法の開発を推進する。本法を多種多様なタンパク質に適用できる汎用的技術として確立するために分野融合的に開発を進め、光によるタンパク質のスイッチ機構の解明やユニークな反応を触媒する酵素の反応機構等の解明を目指し、分子制御への応用も展開する。総括班はそれら研究推進の核として研究活動を牽引する。

研究成果の概要

より多くの生体高分子観察に適用できる普遍的な方法として確立するためビームラインのエンジニアリング、タンパク質工学、ケミカルバイオロジーなどの技術を最大限に活用し「高速分子動画」法から制限をできるだけ取り除くことを行った。この結果、視覚ロドプシンやDNAフォトリアーゼなどの新しいタンパク質の高速分子動画を得ることに成功した。さらに実際に観察された「高速分子動画」を計算科学や分光学の手法を用いて定量的、理論的に解析し報告した。またこの結果を元にタンパク質を制御できる新規化合物などの開発を行い、その性質についての評価を行った。またこれらの成果を報告・討論するための国際シンポジウムを開催した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本領域は単にタンパク質の分子動画を撮るだけではなく、タンパク質のダイナミックスを理解し、それに基づき新しい機能性タンパク質やタンパク質の機能を制御できる化合物を創生できる可能性を示した。今後は実際に光遺伝学に使える新規機能タンパク質や光薬理学に使えるツールを開発し、それらを基礎研究や臨床研究そして実際の治療法や新規薬物の開発につなげていきたい。

研究成果

• [国際共同研究] ルーヴェンカトリック大学（KU-Leuven）(ベルギー)
• [国際共同研究] Stockholm University(スウェーデン)
• [国際共同研究] Academia Sinica(その他の国・地域(台湾）)
• [国際共同研究] RC分子生物学研究所(英国)
• [国際共同研究] ルーヴェンカトリック大学 (KU Leuven)(ベルギー)
• [国際共同研究] Stockholm University(スウェーデン)
• [国際共同研究] Academia Sinica(その他の国・地域(台湾))
• [国際共同研究] RC分子生物学研究所(英国)
• [国際共同研究] ルーヴェンカトリック大学 (KU Leuven)(ベルギー)
• [国際共同研究] Academia Sinica(その他の国・地域(台湾))
• [国際共同研究] 分子生物学研究所(英国)
• [国際共同研究] Stockholm University(スウェーデン)
• [国際共同研究] ルーヴェンカトリック大学 (KU Leuven)(ベルギー)
• [国際共同研究] Academia Sinica(その他の国・地域（台湾）)
• [国際共同研究] RC分子生物学研究所(英国)
• [国際共同研究] Stockholm University(スウェーデン)
• [国際共同研究] ルーヴェンカトリック大学 (KU Leuven)(ベルギー)
• [国際共同研究] Academia Sinica(その他の国・地域（台湾）)
• [国際共同研究] MRC分子生物学研究所(英国)
• [国際共同研究] Stockholm University(スウェーデン)
• [雑誌論文] Visualizing the DNA repair process by a photolyase at atomic resolution (2023)
  • 著者名/発表者名: Manuel Maestre-Reyna, Po-Hsun Wang, Eriko Nango, Yuhei Hosokawa, Martin Saft , Antonia Furrer , Cheng-Han Yang , Eka Putra Gusti Ngurah Putu , Wen-Jin Wu, (…), So Iwata ,(…..) and Ming-Daw Tsai
  • 雑誌名: Science (New York, N.Y.) 巻: Vol.382, No.6674 号: 6674
  • DOI: 10.1126/science.add7795
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mapping protein dynamics at high spatial resolution with temperature-jump X-ray crystallography (2023)
  • 著者名/発表者名: Wolff, A. M., Nango, E., Young, I. D., Brewster, A. S., Kubo, M., Nomura, T., Sugahara, M., Owada, S., Barad, B. A., Ito, K., Bhowmick, A., Carbajo, S., Hino, T., Holton, J. M., Im, D., O'Riordan, L. J., Tanaka, T., Tanaka, R., Sierra, R. G., Yumoto, F., Tono, K., Iwata, S., et al
  • 雑誌名: Nat. Chem. 巻: 15(11) 号: 11 ページ: 1549-1558
  • DOI: 10.1038/s41557-023-01329-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Recent progress in membrane protein dynamics revealed by X-ray free electron lasers: Molecular movies of microbial rhodopsins (2023)
  • 著者名/発表者名: Eriko Nango and So Iwata
  • 雑誌名: Curr. Opin. Struct.Biol. 巻: 81 ページ: 102629-102629
  • DOI: 10.1016/j.sbi.2023.102629
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast structural changes direct the first molecular events of vision (2023)
  • 著者名/発表者名: Gruhl T, Weinert T, Rodrigues M J, Milne C J, Ortolani G, Nass K, Nango E, ...Schertler G, and Panneels V. et al.
  • 雑誌名: Nature 巻: 615 号: 7954 ページ: 939-944
  • DOI: 10.1038/s41586-023-05863-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Conformational alterations in unidirectional ion transport of a light-driven chloride pump revealed using X-ray free electron lasers. (2022)
  • 著者名/発表者名: Hosaka, T. et al.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 119 号: 9
  • DOI: 10.1073/pnas.2117433119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lipidic cubic phase serial femtosecond crystallography structure of a photosynthetic reaction centre (2022)
  • 著者名/発表者名: Bath P, Banacore A, Borjesson P, Iwata S, *Branden G and *Neutze R. et al.
  • 雑誌名: Acta Crystallographica Section D Structural Biology 巻: 78 号: 6 ページ: 698-708
  • DOI: 10.1107/s2059798322004144
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal structure of CmABCB1 multi-drug exporter in lipidic mesophase revealed by LCP-SFX (2021)
  • 著者名/発表者名: Pan Dongqing、Oyama Ryo、Sato Tomomi、Nakane Takanori、Mizunuma Ryo、Matsuoka Keita、Joti Yasumasa、Tono Kensuke、Nango Eriko、Iwata So、Nakatsu Toru、Kato Hiroaki
  • 雑誌名: IUCrJ 巻: 9 号: 1 ページ: 134-145
  • DOI: 10.1107/s2052252521011611
  • NAID: 120007179308
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Endogenous agonist?bound S1PR3 structure reveals determinants of G protein?subtype bias (2021)
  • 著者名/発表者名: Maeda Shintaro、Shiimura Yuki、Asada Hidetsugu、Hirata Kunio、Luo Fangjia、Nango Eriko、Tanaka Nobuo、Toyomoto Masayasu、Inoue Asuka、Aoki Junken、Iwata So、Hagiwara Masatoshi
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 7 号: 24
  • DOI: 10.1126/sciadv.abf5325
  • NAID: 120007052733
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] S1PR3?G12-biased agonist ALESIA targets cancer metabolism and promotes glucose starvation (2021)
  • 著者名/発表者名: Toyomoto Masayasu、Inoue Asuka、Iida Kei、Denawa Masatsugu、Kii Isao、Ngako Kadji Francois Marie、Kishi Takayuki、Im Dohyun、Shimamura Tatsuro、Onogi Hiroshi、Yoshida Suguru、Iwata So、Aoki Junken、Hosoya Takamitsu、Hagiwara Masatoshi
  • 雑誌名: Cell Chemical Biology 巻: 未定 号: 8 ページ: 1132-1144
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2021.01.004
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure of the dopamine D2 receptor in complex with the antipsychotic drug spiperone (2020)
  • 著者名/発表者名: Im Dohyun、Inoue Asuka、Fujiwara Takaaki、Nakane Takanori、Yamanaka Yasuaki、Uemura Tomoko、Mori Chihiro、Shiimura Yuki、Kimura Kanako Terakado、Asada Hidetsugu、Nomura Norimichi、Tanaka Tomoyuki、Yamashita Ayumi、Nango Eriko、Tono Kensuke、Kadji Francois Marie Ngako、Aoki Junken、Iwata So、Shimamura Tatsuro
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20221-0
  • NAID: 120006943309
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Four-dimensional structural analysis of membrane proteins and its application to drug discovery (2023)
  • 著者名/発表者名: 岩田 想
  • 学会等名: LEAPS Meets Life Sciences Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高速分子動画：これまでの成果と今後の展開 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩田想
  • 学会等名: 第95回日本生化学会大会
• [学会発表] 高速分子動画による構造ダイナミクス研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩田想
  • 学会等名: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 高速分子動画法とその分子制御への応用, Making Molecular Movies (2021)
  • 著者名/発表者名: 岩田想
  • 学会等名: 第77回顕微鏡学会学術講演会
• [学会発表] 抗体フラグメントを用いたGPCRの構造解析と創薬への応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岩田想
  • 学会等名: 第93回日本生化学会大会
• [学会・シンポジウム開催] "Molecular Movies" International Symposium 2023; Molecular Movies to be continued (2023)
• [学会・シンポジウム開催] “Molecular Movies” International Symposium 2022 (2022)