X線自由電子レーザーを用いた、常温での高分解能無損傷X線結晶構造解析方法の開発

• 研究課題/領域番号: 15K18493
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 構造生物化学
• 研究機関: 岐阜大学 (2017); 兵庫県立大学 (2015-2016)
• 研究代表者: 島田 敦広 岐阜大学, 応用生物科学部, 助教 (80723874)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2017年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2016年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2015年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: プロトンポンプ / 時分割構造解析 / 無損傷構造解析 / X線自由電子レーザー / 膜タンパク質 / 金属タンパク質 / チトクロム酸化酵素 / 電子伝達 / XFEL / 常温測定 / Cytochrome c oxidase / 結晶調温湿装置 / HAG法 / Cytchrome c oxidase

研究成果の概要

チトクロム酸化酵素（CcO）は呼吸で取り込まれた酸素からエネルギーを生み出すタンパク質であり、生体エネルギー生産の中心である。本酵素の機能解明は学術的に重要なだけでなく、低酸素症治療など臨床への応用も期待されている。本研究では、従来のX線の10億倍の強度と約1000分の1のパルス幅を持つX線自由電子レーザー（XFEL）を用いて、チトクロム酸化酵素の無損傷結晶構造を決定することに成功した。さらに、XFELの極短パルスという特徴を活かし、光照射によって励起したCcOの反応開始後1億から100万分の1秒後の中間体構造をXFELによって精密に決定した。

研究成果

• [雑誌論文] Structure of bovine cytochrome c oxidase in the ligand-free reduced state at neutral pH (2018)
  • 著者名/発表者名: Luo Fangjia、Shinzawa-Itoh Kyoko、Hagimoto Kaede、Shimada Atsuhiro、Shimada Satoru、Yamashita Eiki、Yoshikawa Shinya、Tsukihara Tomitake
  • 雑誌名: Acta Crystallographica Section F Structural Biology Communications 巻: 74 号: 2 ページ: 92-98
  • DOI: 10.1107/s2053230x17018532
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A nanosecond time-resolved XFEL analysis of structural changes associated with CO release from cytochrome c oxidase. (2017)
  • 著者名/発表者名: Shimada, A.†, Kubo, M.†, Baba, S.† et al. (29人中2番目)(†equal contribution)
  • 雑誌名: Sci. Adv. 巻: 3 号: 7
  • DOI: 10.1126/sciadv.1603042
  • NAID: 120006363290
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure of bovine cytochrome c oxidase crystallized at a neutral pH using a fluorinated detergent (2017)
  • 著者名/発表者名: Luo Fangjia、Shinzawa-Itoh Kyoko、Hagimoto Kaede、Shimada Atsuhiro、Shimada Satoru、Yamashita Eiki、Yoshikawa Shinya、Tsukihara Tomitake
  • 雑誌名: Acta Crystallographica Section F Structural Biology Communications 巻: 73 号: 7 ページ: 416-422
  • DOI: 10.1107/s2053230x17008834
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Complex structure of cytochrome c-cytochrome c oxidase reveals a novel protein-protein interaction mode (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoru Shimada, Kyoko Shinzawa‐Itoh, Junpei Baba, Shimpei Aoe, Atsuhiro Shimada, Eiki Yamashita, Jiyoung Kang, Masaru Tateno, Shinya Yoshikawa, and Tomitake Tsukihara
  • 雑誌名: EMBO J. 巻: 86 号: 3 ページ: 291-300
  • DOI: 10.15252/embj.201695021
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The Mg2+-containing Water Cluster of Mammalian Cytochrome c Oxidase Collects Four Pumping Proton Equivalents in Each Catalytic Cycle (2016)
  • 著者名/発表者名: Yano N, Muramoto K, Shimada A, Takemura S, Baba J, Fujisawa H, Mochizuki M, Shinzawa-Itoh K, Yamashita E, Tsukihara T, Yoshikawa S.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 291 号: 46 ページ: 23882-23894
  • DOI: 10.1074/jbc.m115.711770
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] X線自由電子レーザーを用いたチトクロム酸化酵素の時分割構造解析によって明らかとなった、リガンド結合に伴うプロトンポンプ経路の閉鎖機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 島田敦広、久保稔、馬場清喜、吾郷日出夫、吉川信也、月原冨武
  • 学会等名: 第17回日本蛋白質科学会
  • 招待講演
• [学会発表] X線自由電子レーザーを光源とするフェムト秒X線結晶構造解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吾郷 日出夫、島田 敦広、久保 稔、馬場 清喜、山下 恵太郎、平田 邦生、上野 剛、山本 雅貴
  • 学会等名: 第90回日本生化学会合同大会
• [学会発表] ウシ心筋チトクロム酸化酵素の常温還元型構造解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 宮本 朱梨、田本 和宏、芦田 和馬、島田 敦広、熊坂 崇、馬場 清喜、伊藤ー新澤 恭子、月原 冨武、吉川 信也
  • 学会等名: 第90回日本生化学会合同大会
• [学会発表] A nanosecond time-resolved XFEL analysis of structural changes associated with CO release from cytochrome co oxidase (2017)
  • 著者名/発表者名: 島田敦広、久保稔、馬場清喜、吾郷日出夫、吉川信也、月原冨武
  • 学会等名: 第55回日本生物物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] High-resolution crystal structure of cytochrome c oxidase reveals the mechanism of high efficient proton pumping (2016)
  • 著者名/発表者名: 島田敦広, 矢野直峰, 村本和優, 山下栄樹, 伊藤―新澤恭子, 月原冨武, 吉川信也
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会
  • 発表場所: つくば国際会議場(茨城県つくば市)
  • 年月日: 2016-11-25
• [学会発表] Observation of water channel opening upon CO photolysis in cytochrome c oxidase by time-resolved XFEL crystallography and IR spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: 久保稔, 島田敦広, 馬場清喜, 山下恵太郎, 平田邦生, 山本雅貴, 伊藤―新澤恭子, 月原冨武, 吾郷日出夫, 吉川信也
  • 学会等名: THE 42nd NAITO CONFERENCE ON “In the Vanguard of Structural Biology: Revolutionizing Life Sciences”
  • 発表場所: シャトレーゼガトーキングダムサッポロ(北海道札幌市)
  • 年月日: 2016-10-04
• [学会発表] Mg2+-containing water cluster, collecting four pumping proton equivalents in each catalytic cycle, enable the effective proton-pumping in bovine cytochrome c oxidase (2016)
  • 著者名/発表者名: 島田敦広, 矢野直峰, 村本和優, 武村修平, 馬場淳平, 望月正雄, 伊藤―新澤恭子, 山下栄樹, 月原冨武, 吉川信也
  • 学会等名: THE 42nd NAITO CONFERENCE ON “In the Vanguard of Structural Biology: Revolutionizing Life Sciences”
  • 発表場所: シャトレーゼガトーキングダムサッポロ(北海道札幌市)
  • 年月日: 2016-10-04
• [学会発表] X線自由電子レーザーを用いたチトクロム酸化酵素の時分割構造解析から明らかとなった、銅イオンへの配位子結合によって制御されるプロトンポンプ経路の閉鎖メカニズム (2016)
  • 著者名/発表者名: 島田敦広, 波多野啓太, 宮本朱梨, 伊藤-新澤恭子, 久保稔, 馬場清喜, 熊坂崇, 山本雅貴, 吾郷日出夫, 平田邦生, 山下恵太郎, 山下栄樹, 上野剛, 吉川信也, 月原冨武
  • 学会等名: 第89回日本生化学会大会
  • 発表場所: 仙台国際センター(宮城県仙台市青葉区)
  • 年月日: 2016-09-25
• [学会発表] The damage-free crystal structure of cytochrome c oxidase at the resting oxidized state determined using X-ray free electron laser (2016)
  • 著者名/発表者名: 島田敦広, 伊藤―新澤恭子, 久保稔, 馬場清喜, 熊坂崇, 山本雅貴, 吾郷日出夫, 平田邦生, 山下恵太郎, 山下栄樹, 上野剛, 吉川信也, 月原冨武
  • 学会等名: EMBO Conference “The biochemistry and chemistry of biocatalysis: From understanding to design”
  • 発表場所: オウル大学(フィンランド・オウル)
  • 年月日: 2016-06-12
  • 国際学会
• [学会発表] チトクロム酸化酵素の様々な反応中間体及び反応中間体類似物の構造から提唱されるプロトンポンプ機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 島田敦広，馬場淳平，山下栄樹，村本和優，伊藤―新澤恭子，月原冨武，吉川信也
  • 学会等名: 第16回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 福岡国際会議場(福岡県福岡市博多区)
  • 年月日: 2016-06-07
• [学会発表] チトクロム酸化酵素F型中間体の1.6Å分解能X線結晶構造解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 江藤勇樹，島田敦広，山下栄樹，伊藤―新澤恭子，月原冨武，吉川信也
  • 学会等名: 第16回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 福岡国際会議場(福岡県福岡市博多区)
  • 年月日: 2016-06-07
• [学会発表] X線自由電子レーザーを用いた、ポンプ・プローブ法によるチトクロム酸化酵素の時分割結晶構造解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 波多野啓太，島田敦広，宮本朱梨，馬場清喜，山下恵太郎，久保稔，吾郷日出夫，平田邦生，上野剛，村上博則，山本雅貴，熊坂崇，山下栄樹，小倉尚志，伊藤―新澤恭子，月原冨武，吉川信也
  • 学会等名: 第16回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 福岡国際会議場(福岡県福岡市博多区)
  • 年月日: 2016-06-07
• [学会発表] Processing of XFEL still images with a reference oscillation data set for crystal structural analyses of cytochrome c oxidase (2016)
  • 著者名/発表者名: Luo Fangjia , 島田敦広, 山下恵太郎, 平田邦生, 伊藤―新澤恭子, 月原冨武, 吉川信也
  • 学会等名: 第16回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 福岡国際会議場(福岡県福岡市博多区)
  • 年月日: 2016-06-07
• [学会発表] 常温での高分解能データ収集に必要なチトクロム酸化酵素結晶の凍結解凍法の確立 (2016)
  • 著者名/発表者名: 宮本朱梨，島田敦広，波多野啓太，馬場清喜，熊坂崇，伊藤―新澤恭子，月原冨武，吉川信也
  • 学会等名: 第16回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 福岡国際会議場(福岡県福岡市博多区)
  • 年月日: 2016-06-07
• [学会発表] チトクロムcとチトクロム酸化酵素の複合体での結晶構造が示す新しい蛋白質間相互作用様式 (2016)
  • 著者名/発表者名: 島田悟，青江新平，伊藤―新澤恭子，馬場淳平，島田敦広，Jiyoung Kang，舘野賢，山下栄樹，吉川信也，月原冨武
  • 学会等名: 第16回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 福岡国際会議場(福岡県福岡市博多区)
  • 年月日: 2016-06-07
• [学会発表] チトクロム酸化酵素の様々な反応中間体及び反応中間体類似物の構造から提唱されるプロトンポンプ機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 島田敦広、馬場淳平、山下栄樹、村本和優、伊藤―新澤恭子、月原冨武、吉川信也
  • 学会等名: 第16回日本蛋白質科学会
  • 発表場所: 福岡国際会議場(福岡県福岡市博多区)
  • 年月日: 2016-06-07
• [学会発表] チトクロム酸化酵素の高分解能X線結晶構造解析から明らかとなった、酸素還元反応と共役したプロトン輸送機序 (2015)
  • 著者名/発表者名: 島田敦広、矢野直峰、岸田佳織、馬場淳平、江藤勇樹、波多野啓太、山下栄樹、伊藤―新澤恭子、月原冨武、吉川信也
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス(石川県金沢市)
  • 年月日: 2015-09-13
  • 招待講演
• [学会発表] チトクロム酸化酵素を用いた常温高分解能X線回折実験法の確立 (2015)
  • 著者名/発表者名: 波多野啓太、宮本朱梨、島田敦広、馬場清喜、熊坂崇、伊藤―新澤恭子、月原冨武、吉川信也
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス(石川県金沢市)
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] ウシ心筋チトクロム酸化酵素O型中間体のX線結晶構造解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 江藤勇樹、島田敦広、原史剛、山下栄樹、伊藤―新澤恭子、月原冨武、吉川信也
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス(石川県金沢市)
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] チトクロム酸化酵素に対するチトクロムcの2つの結合部位のX線構造解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 島田悟、青江新平、伊藤―新澤恭子、馬場淳平、島田敦広、山下栄樹、吉川信也、月原冨武
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス(石川県金沢市)
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] チトクロム酸化酵素内のMgを含む水クラスターが酸素取り込み前に4等量のプロトンを蓄積することで、高効率プロトンポンプ反応を可能にする (2015)
  • 著者名/発表者名: 島田敦広、矢野直峰、馬場淳平、武村秀平、村本和優、山下栄樹、伊藤―新澤恭子、前田友子、月原冨武、吉川信也
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会
  • 発表場所: あわぎんホール(徳島県徳島市)
  • 年月日: 2015-06-24
• [学会発表] 高分解能X線結晶構造解析によるチトクロム酸化酵素の酸素還元・プロトンポンプ機構の解明 (2015)
  • 著者名/発表者名: 月原冨武、島田敦広、島田悟、武村秀平、馬場淳平、村本和優、山下栄樹、伊藤―新澤恭子、吉川信也
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会
  • 発表場所: あわぎんホール(徳島県徳島市)
  • 年月日: 2015-06-24
• [学会発表] チトクロムcとチトクロム酸化酵素共結晶の高分解能X線結晶構造に基づく相互作用解明 (2015)
  • 著者名/発表者名: 島田悟、青江新平、伊藤―新澤恭子、島田敦広、馬場淳平、武村秀平、山下栄樹、吉川信也、月原冨武
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会
  • 発表場所: あわぎんホール(徳島県徳島市)
  • 年月日: 2015-06-24
• [学会発表] シアン結合完全還元型チトクロム酸化酵素のX線結晶構造解析から明らかになった、活性中心を構成するheme a3の高い可動性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 馬場淳平、島田敦広、山下栄樹、伊藤―新澤恭子、村本和優、月原冨武、吉川信也
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会
  • 発表場所: あわぎんホール(徳島県徳島市)
  • 年月日: 2015-06-24
• [学会発表] チトクロム酸化酵素の真のアジ化物イオン結合型構造により明らかになった、酸素還元中心の構造変化とプロトンポンプ経路の関係性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 波多野啓太、島田敦広、引田理英、蓼原瞳、山本旭麻、山下栄樹、前田友子、伊藤―新澤恭子、月原冨武、吉川信也
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会
  • 発表場所: あわぎんホール(徳島県徳島市)
  • 年月日: 2015-06-24
• [学会発表] 第２のチトクロムc結合部位を持つチトクロムc酸化酵素共結晶のX線結晶構造解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 青江新平、島田悟、伊藤―新澤恭子、島田敦広、馬場淳平、武村秀平、山下栄樹、吉川信也、月原冨武
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会
  • 発表場所: あわぎんホール(徳島県徳島市)
  • 年月日: 2015-06-24
• [学会発表] 中性領域(pH7.3)でのウシ心筋チトクロム酸化酵素の結晶化及び構造解明 (2015)
  • 著者名/発表者名: 萩本楓、伊藤―新澤恭子、島田敦広、島田悟、Luo Fangjia、山下栄樹、吉川信也、月原冨武
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会
  • 発表場所: あわぎんホール(徳島県徳島市)
  • 年月日: 2015-06-24
• [学会発表] チトクロム酸化酵素F型中間体の高分解能X線結晶構造解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 江藤勇樹、島田敦広、前田友子、山下栄樹、村本和優、伊藤―新澤恭子、月原冨武、吉川信也
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会
  • 発表場所: あわぎんホール(徳島県徳島市)
  • 年月日: 2015-06-24