| 研究領域 | 「生命金属科学」分野の創成による生体内金属動態の統合的研究 |
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| 研究課題/領域番号 |
19H05762
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| 研究種目 |
新学術領域研究(研究領域提案型)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
複合領域
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| 研究機関 | 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(機構直轄研究施設) |
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研究代表者 |
青野 重利 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(機構直轄研究施設), 生命創成探究センター, 教授 (60183729)
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| 研究分担者 |
村木 則文 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (20723828)
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| 研究期間 (年度) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
67,730千円 (直接経費: 52,100千円、間接経費: 15,630千円)
2023年度: 11,960千円 (直接経費: 9,200千円、間接経費: 2,760千円)
2022年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
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: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
2019年度: 18,460千円 (直接経費: 14,200千円、間接経費: 4,260千円)
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| キーワード | 生命金属 / センサータンパク質 / 鉄硫黄クラスター / ヘム / 金属タンパク質 / ヒドロゲナーゼ / ヘムタンパク質 / 走化性制御系 / 酸素センシング / 酸素センサータンパク質 / 走化性制御システム / シグナル伝達 / 生命金属動態 / 金属含有型センサータンパク質 / 水素センサータンパク質 / ニッケル-鉄二核金属錯体 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、遷移金属を構成要素とするセンサーモジュールを有したセンサータンパク質の生合成過程におけるセンサーモジュールの構築とタンパク質部分への組込みの詳細な分子機構を解明することにより、細胞内生命金属動態制御を鍵反応とするセンサー分子システムの構築原理を理解し、「生命金属科学研究基盤の構築」のための基礎的知見を得る。さらに、センサーモジュールによる気体分子センシングの動的過程、気体分子センシングにおいて誘起されるタンパク質構造変化・機能制御を各種分光学的測定、結晶構造解析、生化学・分子生物学的解析によって明らかにし、生命金属が制御する細胞内構造ダイナミクスと機能の解明を行う。
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| 研究実績の概要 |
酸素に対する走化性制御系においてMCPタンパク質として機能するHemATは、ヘムをセンサーモジュールとして利用することにより、酸素を直接センシングする。本研究では、HemATによる酸素センシング、および酸素をシグナル分子とする走化性制御系におけるシグナル伝達の分子機構解明を目的として研究を行った。HemATの結晶構造解析に向けて、Bacillus smithii、Aeribacillus pallidus、Parageobacillus thermoglucosidasius由来のHemAT（それぞれ、BsmHemAT、ApHemAT、PtHemATと表記する）３種それぞれについて、全長型のサンプルを用い、それらの酸化型および酸素結合型での結晶化スクリーニングを行った。その結果、複数の結晶化条件において、酸化型PtHemATと酸素化型PtHemATの結晶を得ることに成功した。現在、初期スクリーニングにおいて結晶が得られた条件をもとに、結晶化条件の最適化を進めている
HemATは、シグナル伝達タンパク質であるCheA、CheWと安定な三者複合体を形成することが分かった。HemATによる酸素センシングから開始されるシグナル伝達反応プロセスおよび、その分子機構を理解するためには、HemAT/CheA/CheW複合体の構造情報が必要不可欠である。そこで本研究では、BsmHemATと、それに対応するCheA、CheWを用い、クライオ電子顕微鏡単粒子構造解析によるHemAT/CheA/CheW複合体の構造解析を行った。その結果、Topazでの学習の後、粒子拾い出しを行い、2D classificationを行ったところ、良好な収束が見られた。3D classificationと精密化によって、分解能7.36オングストロームでのクライオEM構造を得ることに成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では、遷移金属を構成要素とするセンサーモジュールを有したセンサータンパク質の構造機能相関の解明および、それらの生合成過程におけるセンサーモジュールの構築とタンパク質部分への組込みの詳細な分子機構を解明することにより、細胞内生命金属動態制御を鍵反応とするセンサー分子システムの構築原理を解明することを目的とし研究を進めている。本年度の研究では、ヘムをセンサーモジュールとする酸素センサータンパク質HemAT、およびHemATとCheA、CheWから構成される酸素に対する走化性制御系の構造機能相関解明に取り組み、全長型HemATの構造情報を得るため、結晶化スクリーニングを実施した。その結果、Parageobacillus thermoglucosidasius由来のHemATを用い、酸化型および酸素化型の状態での結晶を得ることに成功し、現在、結晶化条件の最適化を進めている。これまでに全長型HemATの結晶構造は報告されておらず、本研究で初めて、その全長構造を明らかにすることができると考えている。また、クライオ電子顕微鏡単粒子構造解析によるHemAT/CheA/CheW複合体の構造解析を行い、分解能7.36 オングストロームでのクライオEM構造を得ることに成功した。本複合体は、酸素に対する走化性制御系において中心的な役割を果たしており、より高分解能でその構造を明らかにすることができれば、生体内シグナル伝達反応の分子機構解明に大きく寄与することが期待される。現在、より高分解能でのHemAT/CheA/CheW複合体の構造解析を目指し、各種条件検討を進めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究では、酸素に対する走化性（Aerotaxis）制御系において、ヘムを酸素センサーモジュールとして利用している酸素センサータンパク質HemATを対象とし、酸素センシングならびにシグナル伝達反応の中心的な役割を果たすHemAT/CheA/CheW複合体の構造決定に向けて、X線結晶構造解析およびクライオ電子顕微鏡による単粒子構造解析を併用して研究を進める。現在、いくつかの結晶化条件において全長型HemATの結晶を得ることに成功しているので、今後は結晶化条件の最適化を行い、高分解能でのX線結晶構造解析を実施する予定である。また、クライオ電子顕微鏡単粒子構造解析によるHemAT/CheA/CheW複合体の構造解析を行い、分解能7.36 オングストロームでのクライオEM構造を得ることに成功しているので、今後はより光分解能での構造解析を目指し、各種実験条件の検討を進める。
また、水素センサータンパク質生合成反応の分子機構解明を目的とした研究にも取り組む。今後は、水素センサータンパク質生合成に関与する一連のアクセサリータンパク質がどのような組合せ・順番で反応することによりセンサータンパク質が合成されるのかを明らかにするため、X線小角散乱、および結晶構造解析を用いたアクセサリータンパク質複合体の構造解析、アクセサリータンパク質から水素センサータンパク質へのセンサーモジュール輸送反応過程の解析を計画している。
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