分子量4MDaの巨大酸素運搬蛋白質ヘモシアニンの構造生物学研究（国際共同研究強化）

• 研究課題/領域番号: 15KK0248
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 構造生物化学
• 研究機関: 東北大学 (2017-2018); 北海道大学 (2015-2016)
• 研究代表者: 田中 良和 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (20374225)
• 研究協力者: ラウンザー ステファン Max Planck Institute of Molecular Physiology, ディレクター
• 研究期間 (年度): 2015 – 2018
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 13,520千円 (直接経費: 10,400千円、間接経費: 3,120千円)
• キーワード: ヘモシアニン / 立体構造 / クライオ電顕 / 対称性 / クライオ電子顕微鏡 / X線結晶構造解析 / 構造解析 / タンパク質

研究成果の概要

ヘモシアニンは軟体動物の酸素運搬タンパク質である．イカ由来のヘモシアニンは分子量約4MDaの円筒状の巨大なタンパク質会合体である．本研究の基研究では，イカ由来ヘモシアニンのX線結晶構造解析を実施したが，結晶のパッキングの関係から，内部ドメインの構造を正確に決定することができなかった．本研究では，クライオ電子顕微鏡単粒子解析の手法を用いて，イカ由来ヘモシアニンの構造解析を行い，その内部構造が非対称であることを明らかにした．また，得られた構造から，ヘモシアニンの分子進化についての知見を得ることができた．

研究成果の学術的意義や社会的意義

X線結晶構造解析では結晶中の全ての分子の平均構造が得られるため，外壁領域と内部領域の対称性が異なる場合，分子同士の接触に影響を与える外壁領域の影響を受けやすい．先行研究にてイカヘモシアニンのX線結晶構造解析を行った際も，D5対称性を持つ外壁領域の影響を受け，内部の構造もD5の対称性で平均化され，その正確な構造を決定できなかった．本研究では，外部領域と内部領域を個別に精密化することができるクライオ電子顕微鏡単粒子解析法を用いることにより，ヘモシアニンの非対称な内部構造を決定することができた．本研究により，対称性がミスマッチした分子の構造解析におけるクライオ電子顕微鏡解析の有用性が示された．

研究成果

• [国際共同研究] Max Planck Institute of Molecular Physiology(ドイツ) (2016)
  • 年月日: 2016-07-28
• [雑誌論文] Protein encapsulation in the hollow space of hemocyanin crystals containing a covalently conjugated ligand (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsubasa Hashimoto, Yuxin Ye, Mihoko Ui, Tohohisa Ogawa, Takashi Matsui, and Yoshikazu Tanaka
  • 雑誌名: Biochem. Biophys. Res. Commun. 巻: 印刷中 号: 1 ページ: 31-36
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.04.062
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cryo-EM reveals the asymmetric assembly of squid hemocyanin (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, Y., Kato, S., Stabrin, M., Raunser, S., Matsui, T. & Gatsogiannis, C.
  • 雑誌名: International Union of Crystallography (IUCr) 巻: 6 号: 3 ページ: 426-437
  • DOI: 10.1107/s205225251900321x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] SDS-induced oligomerization of Lys49-phospholipase A2 from snake venom (2019)
  • 著者名/発表者名: Matsui Takashi、Kamata Shizuka、Ishii Kentaro、Maruno Takahiro、Ghanem Nouran、Uchiyama Susumu、Kato Koichi、Suzuki Atsuo、Oda-Ueda Naoko、Ogawa Tomohisa、Tanaka Yoshikazu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 2330-2330
  • DOI: 10.1038/s41598-019-38861-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Encapsulation of biomacromolecules by soaking and co-crystallization into porous protein crystals of hemocyanin (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsubasa Hashimoto, Yuxin Ye, Asuka Matsuno, Yuki Ohnishi, Akira Kitamura, Masataka Kinjo, Satoshi Abe, Takafumi Uenod, Min Yao, Tomohisa Ogawa, Takashi Matsuia, Yoshikazu Tanaka
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 509 号: 2 ページ: 577-584
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2018.12.096
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] staphylococcal bi-component toxin for β-barrel pore assembly (2018)
  • 著者名/発表者名: Kein Takeda, Yoshikazu Tanaka, Naoki Abe, Jun Kaneko
  • 雑誌名: Toxicon 巻: 155 ページ: 43-48
  • DOI: 10.1016/j.toxicon.2018.10.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Compact seahorse-shaped T cell-activating antibody for cancer therapy (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroto Fujii, Yoshikazu Tanaka, Hikaru Nakazawa, Aruto Sugiyama, Noriyoshi Manabe, Akira Shinoda, Nobutaka Shimizu, Takamitsu Hattori, Katsuhiro Hosokawa, Takuma Sujino, Tomoyuki Ito, Teppei Niide, Ryutaro Asano, Izumi Kumagai, and Mitsuo Umetsu
  • 雑誌名: Advanced Therapeutics 巻: 1700031 号: 3 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1002/adtp.201700031
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molluscan hemocyanin: structure, evolution, and physiology (2018)
  • 著者名/発表者名: Kato Sanae、Matsui Takashi、Gatsogiannis Christos、Tanaka Yoshikazu
  • 雑誌名: Biophysical Reviews 巻: 10-2 号: 2 ページ: 191-202
  • DOI: 10.1007/s12551-017-0349-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Heme binding to porphobilinogen deaminase from Vibrio cholerae decelerates the formation of 1-hydroxymethylbilane (2018)
  • 著者名/発表者名: Uchida*, T., Funamizu, T., Chen, M., Tanaka, Y., and Ishimori, K.
  • 雑誌名: ACS Chemical Biology 巻: 15 号: 3 ページ: 750-760
  • DOI: 10.1021/acschembio.7b00934
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rim domain loops of Staphylococcal β-pore forming bi-component toxin S-components recognize target human erythrocytes in a coordinated manner. (2018)
  • 著者名/発表者名: Peng Z, Takeshita M, Shibata N, Tada H, Tanaka Y, Kaneko J.
  • 雑誌名: J. Biochem. 巻: 印刷中（電子版発行済） 号: 2 ページ: 93-102
  • DOI: 10.1093/jb/mvy030
  • NAID: 40021635138
  • 査読あり
• [雑誌論文] pH regulates pore formation of a protease activated Vip3Aa from Bacillus thuringiensis (2017)
  • 著者名/発表者名: Thittaya Kunthic, Hirokazu Watanabe, Ryuji Kawano, Yoshikazu Tanaka, Boonhiang Promdonkoy, Min Yao, Panadda Boonserm
  • 雑誌名: BBA - Biomembranes 巻: 1859 号: 11 ページ: 2234-2241
  • DOI: 10.1016/j.bbamem.2017.08.018
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structural basis for tRNA-dependent cysteine biosynthesis (2017)
  • 著者名/発表者名: Chen Meirong、Kato Koji、Kubo Yume、Tanaka Yoshikazu、Liu Yuchen、Long Feng、Whitman William B.、Lill Pascal、Gatsogiannis Christos、Raunser Stefan、Shimizu Nobutaka、Shinoda Akira、Nakamura Akiyoshi、Tanaka Isao、Yao Min
  • 雑誌名: Nature Commun. 巻: 8 号: 1 ページ: 1521-1521
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01543-y
  • NAID: 120006370606
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Biochemical and structural characterization of oxygen-sensitive 2-thiouridine synthesis catalyzed by the iron-sulfur protein TtuA (2017)
  • 著者名/発表者名: Minghao Chen, Shin-ichi Asai, Shun Narai, Shusuke Nambu, Naoki Omura, Yuriko Sakaguchi, Tsutomu Suzuki, Masao Ikeda-Saito, Kimitsuna Watanabe, Min Yao, Naoki Shigi and, Yoshikazu Tanaka
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural properties of phycoerythrin from dulse palmaria palmata (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshikatsu Miyabe, Tomoe Furuta, Tomoyuki Takeda, Gaku Kanno, Takeshi Shimizu, Yoshikazu Tanaka, Zuoqi Gai, Hajime Yasui, Hideki Kishimura
  • 雑誌名: Journal of Food Biology 巻: 41 号: 1 ページ: e12301-e12301
  • DOI: 10.1111/jfbc.12301
  • NAID: 120006382291
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 蛋白質結晶中の巨大な空隙へのタンパク質の包摂 (2019)
  • 著者名/発表者名: 橋本翼, 松井崇, 小川智久，田中良和
  • 学会等名: PFシンポジウム
• [学会発表] スルメイカ由来ヘモシアニンのクライオ電顕構造とX 線結晶構造の違い (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中良和，松井崇，加藤早苗，Christos Gatsogiannis, Stefan Raunser
  • 学会等名: 日本蛋白質科学会
• [学会発表] Molecular Mechanism of Staphylococcal Pore Forming Toxin (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu TANAKA, Jun KANEKO
  • 学会等名: The 79th Okazaki Conference Synthetic, Biological, and Hybrid Molecular Engines
  • 国際学会
• [学会発表] 巨大蛋白質会合体ヘモシアニンの構造解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中良和
  • 学会等名: 日本生物物理学会 東北支部会
• [学会発表] X線結晶構造解析とクライオ電顕、両手法を使って (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中良和
  • 学会等名: フォトンファクトリー研究会 X線とクライオ電子顕微鏡で挑む生命の機能とかたち
  • 招待講演
• [学会発表] Investigating a novel tRNA thiolational modification mechanism involving an [4Fe-4S] cluster (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Tanaka
  • 学会等名: 2nd Joint International Symposium of NSRRC and IPR, Hsinchu
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 膜孔形成毒素の分子機構とヘモシアニンの構造解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中良和
  • 学会等名: 山形大学蛋白質科学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 分子量4MDa の超分子蛋白質会合体ヘモシアニンの構造解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 田中良和
  • 学会等名: 第17 回リング・チューブ超分子研究会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 田中良和 (2017)
  • 著者名/発表者名: 分子量4MDaの巨大蛋白質会合体ヘモシアニンの結晶への蛋白質の包摂
  • 学会等名: JST-ACCEL [革新分子構造解析」公開シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 巨大タンパク質会合体ヘモシアニンの多孔質性結晶を用いた生体分子の包摂 (2016)
  • 著者名/発表者名: Asuka Matsuno, Ye Yuxin, Yuki Ohnishi, Akira Kitamura, Masataka Kinjo, Satoshi Abe, Takafumi Ueno, Yoshikazu Tanaka, Min Yao
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会年会
  • 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] Pore formation mechanism of staphylococcal pore forming toxin (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Tanaka
  • 学会等名: Max Planck Institute of Molecular Physiology Department 3 Lab Retreat Seminar
  • 発表場所: Ringberg，ドイツ
  • 年月日: 2016-10-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] バクテリアにおける二機能性ユビキチン様タンパク質の機能調節の構造基盤 (2016)
  • 著者名/発表者名: 陳明皓，奈良井峻，大村直毅，鴫直樹，田中良和，姚閔
  • 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)
  • 年月日: 2016-06-07
• [備考]
  • URL: http://www.lifesci.tohoku.ac.jp/labmos/publish/publish.html
• [備考] 北海道大学 X線構造生物学研究室 ホームページ
  • URL: http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g6/
• [産業財産権] ヘモシアニン会合体を用いた包摂体の製造方法 (2016)
  • 発明者名: 田中良和，松野明日香，北村朗，金城政孝，姚閔，上野隆史，安部聡
  • 権利者名: 国立大学法人北海道大学，国立大学法人東京工業大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2016-06-01