ODMRとin-cell NMRによる細胞内蛋白質間相互作用・動態の解析法の開発

• 研究領域: 動的構造生命科学を拓く新発想測定技術－タンパク質が動作する姿を活写する－
• 研究課題/領域番号: 26119004
• 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: 白川 昌宏 京都大学, 工学研究科, 教授 (00202119)
• 連携研究者: 杤尾 豪人 京都大学, 理学研究科, 教授 (70336593)
• 研究期間 (年度): 2014-07-10 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 153,270千円 (直接経費: 117,900千円、間接経費: 35,370千円); 2018年度: 28,470千円 (直接経費: 21,900千円、間接経費: 6,570千円); 2017年度: 28,470千円 (直接経費: 21,900千円、間接経費: 6,570千円); 2016年度: 18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円); 2015年度: 66,300千円 (直接経費: 51,000千円、間接経費: 15,300千円); 2014年度: 11,050千円 (直接経費: 8,500千円、間接経費: 2,550千円)
• キーワード: ODMR / in-cell NMR / 細胞内蛋白質 / 細胞小器官 / Rheo-NMR / in cell NMR

研究成果の概要

ナノダイヤモンド（ＮＤ）を使った光検出磁気共鳴（ODMR）法について、ＮＤ中でセンサーとして機能する格子欠陥（NVセンター）を形成する技術、ＮＤによる分子特異的標識技術、およびNVセンターを用いた新規ナノ計測技術を開発した。蛋白質重合体（細胞骨格等）の単量体をＮＤに修飾することにより、細胞内で起こる重合過程を利用した新たなダイヤモンド標識方法を確立し、その動態を追跡した。
また、試料に剪断流を加えながらNMR測定ができる新たなRheo-NMR法を開発した。従来法に比べ簡便で、極低温プローブ装着のNMR装置にも適用でき、Rheo-NMR法として世界最高感度・分解能である。

研究成果の学術的意義や社会的意義

生細胞・生体内での生体高分子の立体構造、集合状態、ダイナミクス等を直接定量的に計測する方法を得つつある。これにより、将来的には、生物の生きた状態を生体分子がいかに成立させているかを、一分子レベルで、またはアンサンブルレベルで可視化・計測することが可能になる。よって、生きた状態を成り立たせる分子論的な必要条件の端緒が見つかると期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Backbone and side-chain resonance assignments of the methyl-CpG-binding domain of MBD6 from Arabidopsis thaliana (2018)
  • 著者名/発表者名: Iwakawa Naoto、Mahana Yutaka、Ono Arina、Ohki Izuru、Walinda Erik、Morimoto Daichi、Sugase Kenji、Shirakawa Masahiro
  • 雑誌名: Biomolecular NMR Assignments 巻: 13 号: 1 ページ: 59-62
  • DOI: 10.1007/s12104-018-9851-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] One-Pot Synthesis of Highly Dispersible Fluorescent Nanodiamonds for Bioconjugation (2018)
  • 著者名/発表者名: Terada Daiki、Sotoma Shingo、Harada Yoshie、Igarashi Ryuji、Shirakawa Masahiro
  • 雑誌名: Bioconjugate Chemistry 巻: 29 号: 8 ページ: 2786-2792
  • DOI: 10.1021/acs.bioconjchem.8b00412
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cooperative Domain Formation by Homologous Motifs in HOIL-1L and SHARPIN Plays A Crucial Role in LUBAC Stabilization (2018)
  • 著者名/発表者名: Fujita Hiroaki、Tokunaga Akira、Shimizu Satoshi、Whiting Amanda L.、Aguilar-Alonso Francisco、Takagi Kenji、Walinda Erik、Sasaki Yoshiteru、Shimokawa Taketo、Mizushima Tsunehiro、Ohki Izuru、Ariyoshi Mariko、Tochio Hidehito、Bernal Federico、Shirakawa Masahiro、Iwai Kazuhiro
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 23 号: 4 ページ: 1192-1204
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2018.03.112
  • NAID: 120006460107
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enrichment of ODMR-active nitrogen-vacancy centres in five-nanometre-sized detonation- synthesized nanodiamonds: Nanoprobes for temperature, angle and position (2018)
  • 著者名/発表者名: Sotoma S, Terada D, Segawa TF, Igarashi R, Harada Y, Shirakawa M.
  • 雑誌名: Sci.Rep. 巻: 8 号: 1 ページ: 5463-5463
  • DOI: 10.1038/s41598-018-23635-5
  • NAID: 120006517896
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Isolation and characterization of a minimal building block of polyubiquitin fibrils (2018)
  • 著者名/発表者名: Morimoto Daichi、Walinda Erik、Shinke Mayo、Sugase Kenji、Shirakawa Masahiro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 2711-2711
  • DOI: 10.1038/s41598-018-21144-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Real-time observation of the interaction between thioflavin T and an amyloid protein by using high-sensitivity Rheo-NMR. (2017)
  • 著者名/発表者名: Iwakawa N., Morimoto D., Walinda E., Kawata Y., Shirakawa M., Sugase K.
  • 雑誌名: Int. J. Mol. Sci. 巻: 18 号: 11 ページ: 2271-2271
  • DOI: 10.3390/ijms18112271
  • NAID: 120006501319
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure of the Dnmt1 reader module complexed with a unique two-mono-ubiquitin mark on histone H3 reveals the basis for DNA methylation maintenance. (2017)
  • 著者名/発表者名: Ishiyama S, Nishiyama A, Saeki Y, Moritsugu K Morimoto D, Yamaguchi L, Arai N, Matsumura R, Kawakami T, Mishima Y, Hojo H, Shimamura S, Ishikawa F, Tajima S, Tanaka K, Ariyoshi M, Shirakawa M, Ikeguchi M, Kidera A, Suetake I, Arita K, Nakanishi M
  • 雑誌名: Mol Cell 巻: 68 号: 2 ページ: 350-360
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2017.09.037
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Biological and Physicochemical Functions of Ubiquitylation Revealed by Synthetic Chemistry Approaches (2017)
  • 著者名/発表者名: Morimoto Daichi、Walinda Erik、Sugase Kenji、Shirakawa Masahiro
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 18 号: 6 ページ: 1145-1145
  • DOI: 10.3390/ijms18061145
  • NAID: 120006318888
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] F1F2-selective NMR spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Walinda Erik、Morimoto Daichi、Shirakawa Masahiro、Sugase Kenji
  • 雑誌名: Journal of Biomolecular NMR 巻: 68 号: 1 ページ: 41-52
  • DOI: 10.1007/s10858-017-0113-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Practical considerations for investigation of protein conformational dynamics by 15N R 1ρ relaxation dispersion. (2017)
  • 著者名/発表者名: Walinda E, Morimoto D, Shirakawa M, Sugase K.
  • 雑誌名: Biomol NMR. 巻: 印刷中 号: 3 ページ: 201-209
  • DOI: 10.1007/s10858-017-0097-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Backbone resonance assignments of monomeric SOD1 in dilute and crowded environments. (2017)
  • 著者名/発表者名: Iwakawa N, Morimoto D, Walinda E, Sugase K,Shirakawa M
  • 雑誌名: Biomol NMR Assign. 巻: 11 号: 1 ページ: 81-84
  • DOI: 10.1007/s12104-016-9724-5
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ubiquitylation Directly Induces Fold Destabilization of Proteins. (2016)
  • 著者名/発表者名: Morimoto D , Walinda E, Fukada H, Sugase K, Shirakawa M
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 6 号: 1 ページ: 39453-39453
  • DOI: 10.1038/srep39453
  • NAID: 120005947214
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A Nanodiamond-peptide Bioconjugate for Fluorescence and ODMR Microscopy of a Single Actin Filament (2016)
  • 著者名/発表者名: Genjo T1, Sotoma S, Tanabe R, *Igarashi R, Shirakawa M.
  • 雑誌名: Analytical Sciences 巻: 32 号: 11 ページ: 1165-1170
  • DOI: 10.2116/analsci.32.1165
  • NAID: 130005278003
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 核磁気共鳴法を用いた細胞内タンパク質の無侵襲解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: Tochio H, Murayama S, Inomata K, Morimoto D, Ohno A, Shirakawa M.
  • 雑誌名: 薬学雑誌 巻: 135 号: 3 ページ: 391-398
  • DOI: 10.1248/yakushi.14-00240-3
  • NAID: 130004756506
  • ISSN: 0031-6903, 1347-5231
  • 年月日: 2015-03-01
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Nucleosome compaction facilitates HP1γ binding to methylated H3K9. (2015)
  • 著者名/発表者名: Mishima Y, Jayasinghe CD, Lu K, Otani J, Shirakawa M, Kawakami T, Kimura H, Hojo H, Carlton P, Tajima S, Suetake I
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res 巻: 43 ページ: 10200-10212
  • DOI: 10.1093/nar/gkv841
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optically Detected Magnetic Resonance of Nanodiamonds In Vivo; Implementation of Selective Imaging and Fast Sampling. (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshinari, Y., Mori, S., Igarashi, R., Sugi, T., Yokota, H., Ikeda, K., Sumiya, H., Mori, I, Tochio, H., *Harada, Y. and Shirakawa, M.
  • 雑誌名: J Nanosci Nanotechnol. 巻: 15 号: 2 ページ: 1014-1021
  • DOI: 10.1166/jnn.2015.9739
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comprehensive and quantitative analysis for controlling the physical/chemical states and particle properties of nanodiamonds for biological applications (2015)
  • 著者名/発表者名: Sotoma, S., Akagi, K., Hosokawa, S., Igarashi, R., Tochio, H., Harada, Y., and Shirakawa
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 5 号: 18 ページ: 13818-13827
  • DOI: 10.1039/c4ra16482b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Suppression of Non-Specific Protein-Nanodiamond Adsorption Enabling Specific Targeting of Nanodiamonds to Bio-molecules of Interest (2015)
  • 著者名/発表者名: Shingo Sotoma, Ryuji Igarashi, Jun Iimura, Yuta Kumiya, Hedehito Tochio, Yoshie Harada and Masahiro Shirakawa,
  • 雑誌名: Chemistry letters 巻: 44 号: 3 ページ: 354-356
  • DOI: 10.1246/cl.141036
  • NAID: 130004868380
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The unexpected role of polyubiquitin chains in the formation of fibrillar aggregates. (2015)
  • 著者名/発表者名: Morimoto D,Walinda E, Fukada H, Sou YS, Kageyama S, Hoshino M, Fujii T, Tsuchiya H, Saeki Y, Arita K, Ariyoshi M, Tochio H, Iwai K, Namba K, Komatsu M, Tanaka K, Shirakawa M.
  • 雑誌名: Nat Commun. 巻: 6 号: 1 ページ: 6116-6116
  • DOI: 10.1038/ncomms7116
  • NAID: 120005528125
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magnetic resonance imaging of tumor with a self-traceable phosphorylcholine polymer (2015)
  • 著者名/発表者名: Hisatsugu Yamada, Yoshinori Hasegawa, Hirohiko Imai, Yuki Takayama, Fuminori Sugihara, Tetsuya Matsuda, Hidehito Tochio, Masahiro Shirakawa, Shinsuke Sando, Yu Kimura, Akio Toshimitsu, Yasuhiro Aoyama and Teruyuki Kondo
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 137 号: 2 ページ: 799-806
  • DOI: 10.1021/ja510479v
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effective Production of Fluorescent Nanodiamond Containing Negatively-Charged Nitrogen-Vacancy Center by Ion Irradiation (2014)
  • 著者名/発表者名: Shingo Sotoma, Yosuke Yoshinari, Ryuji Igarashi, Akiyoshi Yamazaki, Shige H. Yoshimura, Hidesato Tochio, Masahiro Shirakawa and Yoshie Harada
  • 雑誌名: Diamond and Related Materials 巻: 49 ページ: 33-38
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2014.07.011
  • NAID: 120005474529
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The structural basis for receptor recognition of human interleukin-18 (2014)
  • 著者名/発表者名: Naotaka Tsutsumi, Takeshi Kimura, Kyohei Arita, Mariko Ariyoshi, Hidenori Ohnishi, Takahiro Yamamoto, Xiaobing Zuo, Katsumi Maenaka, Enoch Y. Park, Naomi Kondo, Masahiro Shirakawa, Hidehito Tochio and Zenichiro Kato
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 5 5340 号: 1 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1038/ncomms6340
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High-throughput optical quantification of mechanosensory habituation reveals neurons encoding memory in Caenorhabditis elegans. (2014)
  • 著者名/発表者名: Sugi T, Ohtani Y, Kumiya Y, Igarashi R, Shirakawa M
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 111 号: 48 ページ: 17236-17241
  • DOI: 10.1073/pnas.1414867111
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Purification, crystallization and preliminary X-ray crystallographic analysis of human IL-18 and its extracellular complexes (2014)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Kimura, Naotaka Tsutsumi, Kyohei Arita, Mariko Ariyoshi, Hidenori Ohnishi, Naomi Kondo, Masahiro Shirakawa, Zenichiro Kato and Hidehito Tochio
  • 雑誌名: Acta Crystallogr. Sect. F Struct. Biol. Commun. 巻: 70 号: 10 ページ: 1351-1356
  • DOI: 10.1107/s2053230x14016926
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Solution Structure of the Ubiquitin-associated (UBA) Domain of Human Autophagy Receptor NBR1 and its Interaction with Ubiquitin and Polyubiquitin. (2014)
  • 著者名/発表者名: E. Walinda, D. Morimoto. K. Sugase. T. Konuma. H. Tochio, M. Shirakawa
  • 雑誌名: The Journal of Biological Chemistry 巻: (印刷中) 号: 20 ページ: 13890-13902
  • DOI: 10.1074/jbc.m114.555441
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ubiquitin-proteasome-mediated degradation of S-RNase in a solanaceous cross-compatibility reaction (2014)
  • 著者名/発表者名: Tetsuyuki Entani, Ken-ichi Kubo, Shin Isogai, Yoichiro Fukao, Masahiro Shirakawa, Akira Isogai, Seiji Takayama
  • 雑誌名: Plant Journal 巻: 印刷中 号: 6 ページ: 1014-1021
  • DOI: 10.1111/tpj.12528
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ダイヤモンドNV中心を使った量子センシングの分子・細胞生物学への応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 白川昌宏
  • 学会等名: 量子生命科学研究会第2回学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Magnetic resonance spectroscopy of single nanoparticle - a quantum sensor for molecular and cell biology (2018)
  • 著者名/発表者名: 白川昌宏
  • 学会等名: 2018 Korean Magnetic Resonance Society Symposium
  • 招待講演
• [学会発表] Cell biology using nanogyroscope by optically detected magnetic resonance (ODMR) spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: 白川昌宏
  • 学会等名: the 7th Yamada workshop on RI Science Evolution (RISE18)
  • 招待講演
• [学会発表] ダイアモンドNV中心の量子センシングを使った分子・細胞生物学 (2018)
  • 著者名/発表者名: 白川昌宏
  • 学会等名: 日本学術振興会「先端ナノデバイス・材料テクノロジー」15１委員会平成２９年度第5回研究会「量子計測・センシングの最前線と今後の展開」
  • 招待講演
• [学会発表] ダイヤモンドNV中心を使った量子センシングの分子・細胞生物学への応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 白川昌宏
  • 学会等名: 生命科学系学会合同年次大会（ConBIo2017)
  • 招待講演
• [学会発表] 光検出磁気共鳴法による生細胞における１分子運動の計測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 白川昌宏
  • 学会等名: 第56回NMR討論会（2017）
  • 招待講演
• [学会発表] 光検出磁気共鳴法を使った細胞生物学の実験手法 (2017)
  • 著者名/発表者名: 白川昌宏
  • 学会等名: 化学研究所NMR国際シンポジウム2017：DNP-NMR ワークショップ
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cell biology using nanogyroscope by optically detected magnetic resonance (ODMR) spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: 白川昌宏
  • 学会等名: the 5th Awaji International Workshop on “Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications” (5th AWEST 2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ダイヤモンドNV中心を使った量子センシングの分子・細胞生物学への応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 白川 昌宏
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 横浜
  • 招待講演
• [学会発表] 生細胞または生体における生体分子の量子センシング (2017)
  • 著者名/発表者名: 白川 昌宏
  • 学会等名: ミニシンポジウム 生命科学・量子技術・ナノエレ・研究の融合 Interdisciplinary field : 「Life science」-「Quantum technology」-「Nano electronics」
  • 発表場所: 東京
  • 招待講演
• [学会発表] 生体分子間の非共有結合相互作用に関する物理的化学的研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 白川 昌宏
  • 学会等名: 日本学術会議 薬学委員会 化学・物理系薬学分科会、生物系薬学分科会、日本薬学会シンポジウム『新しい展開を目指す化学・物理系薬学領域の研究』
  • 発表場所: 東京
  • 招待講演
• [学会発表] Cell Biology using nanogyroscope by optically detected magnetic resonance(ODMR) spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: 白川 昌宏
  • 学会等名: The 21th International Conference on Magnetic Resonance in Biolgical Systemes（ICMRBS
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2016-08-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 光検出磁気共鳴法を使った高分解能イメージング (2016)
  • 著者名/発表者名: 白川 昌宏
  • 学会等名: 第39回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: 横浜
  • 招待講演
• [学会発表] ナノダイアモンド標識による蛋白質構造解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 白川 昌宏
  • 学会等名: 第55回電子スピンサイエンス学会
  • 発表場所: 大阪
  • 招待講演
• [学会発表] Actions of cellular macromolecules observed by magnetic resonance spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: 白川 昌宏
  • 学会等名: 大阪大学 国際蛋白研究所セミナー”Protein NMR Beyond”
  • 発表場所: 大阪
  • 招待講演
• [学会発表] High-resolution imaging by using optically-detected magnetic resonance (2015)
  • 著者名/発表者名: 白川昌宏
  • 学会等名: 九大生医研国際シンポジウム
  • 発表場所: 九州大学馬出病院キャンパス 福岡市
  • 年月日: 2015-11-13
  • 招待講演
• [学会発表] 光検出磁気共鳴法による細胞・生体の高分解能イメージング (2015)
  • 著者名/発表者名: 白川昌宏
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー
  • 発表場所: 大阪大学蛋白質研究所, 大阪府吹田市
  • 招待講演
• [学会発表] ダイアモンド粒子の窒素-空孔中心(NVC)を用いた生体・細胞のナノジャイロセンシング手法の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 白川昌宏、五十嵐龍治、久美屋雄太、 杉拓磨、 外間進悟、 杤尾豪人、 吉成洋祐、 原田慶恵
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 徳島あわぎんホール 徳島市
  • 招待講演
• [学会発表] In cells and in vitro studies of ubiquitin, polyubiquitin chains and proteins attached to them. (2015)
  • 著者名/発表者名: 白川昌宏、猪股晃介 , 森本大智 , Walinda Erik , 菅瀬謙治 , 杤尾豪人 , 二木史朗
  • 学会等名: 第38回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: 神戸国際会議場 神戸市
  • 招待講演
• [学会発表] Magnetic resonance study of structures, functions and dynamics of proteins in living cells (2015)
  • 著者名/発表者名: 白川昌宏
  • 学会等名: the 16th Beijing Conference and Exhibition on Instrumental Analysis
  • 発表場所: China National Convention Center, Beijing, 中華人民共和国
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DNAメチル化の構造生物学とin-cell NMRによる細胞内でのタンパク質と薬剤の相互作用の観察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 白川 昌宏
  • 学会等名: 日本薬学会医薬化学部会第32回メディシナルケミストリーシンポジウム
  • 発表場所: 神戸市
  • 年月日: 2014-11-27
  • 招待講演