細菌べん毛モーターの回転力産生のための構造的基盤の解明

• 研究課題/領域番号: 16J01859
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 竹川 宜宏 大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2017年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2016年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 細菌べん毛 / べん毛モーター / 回転子 / ストマチン / べん毛 / 固定子 / メカノセンサー / モーター

研究実績の概要

超好熱性細菌Aquifex arolicus由来のべん毛モーター回転子蛋白質FliFのペリプラズム側領域フラグメント（FliF(58-213)）の構造をX線結晶構造解析により2.3オングストローム分解能で決定し、III型ニードル複合体蛋白質との類似性や精製されたFliFのリング状複合体（MSリング）のクライオ電子顕微鏡構造を参照することで、2つの異なる回転対称性を持った二重のリングからなるFliF構造モデルを提唱した。特にβ4とβ5の間のi-loopがべん毛輸送ゲート蛋白質と直接的に相互作用する部位であることが示唆された。これらを元に膜貫通領域を含めたFliF全長からなるMSリング全体構造と、それを足場として集合するその他の蛋白質を含めた分子構造モデルを構築した。
べん毛モーターの高出力回転に必要な構成蛋白質FliLに着目し、海洋性細菌Vibrio alginolyticus由来のFliLのペリプラズム側領域の構造をX線結晶構造解析により2.1オングストローム分解能で決定した。構造およびそれを元にした変異体解析から、FliLが固定子を取り囲むように複合体を形成し、FliLリングの内側の疎水性残基によって固定子の活性化が引き起こされることが示唆された。FliLはこれまで見つかっていなかった新規ストマチン様蛋白質（SPFHファミリー蛋白質）であり、機械刺激などの外環境からのシグナルに依存して固定子イオンチャネル活性が制御される可能性が考えられた。
同菌のべん毛数制御に関与する蛋白質HubPのC末端ドメインフラグメントをX線結晶構造解析により2.5オングストローム分解能で構造決定した。当ドメインはTPRモチーフを内包し、特異的な表面電荷分布を有し、これがHubP特異的な機能において重要である可能性が考えられる。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Yale University(米国)
• [雑誌論文] Structure of Vibrio FliL, a New Stomatin-like Protein That Assists the Bacterial Flagellar Motor Function (2019)
  • 著者名/発表者名: Norihiro Takekawa, Miyu Isumi, Hiroyuki Terashima, Shiwei Zhu, Yuuki Nishino, Mayuko Sakuma, Seiji Kojima, Michio Homma, Katsumi Imada
  • 雑誌名: mBio 巻: 10(2) 号: 2
  • DOI: 10.1128/mbio.00292-19
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The role of conserved charged residues in the bidirectional rotation of the bacterial flagellar motor (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Onoue, Norihiro Takekawa, Tatsuro Nishikino, Seiji Kojima, Michio Homma
  • 雑誌名: Microbiologyopen 巻: 24 号: 4
  • DOI: 10.1002/mbo3.587
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Localization and domain characterization of the SflA regulator of flagellar formation in Vibrio alginolyticus. (2017)
  • 著者名/発表者名: Inaba S, Nishigaki T, Takekawa N, Kojima S, Homma M.
  • 雑誌名: Genes to Cells 巻: 7 号: 7 ページ: 619-629
  • DOI: 10.1111/gtc.12501
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mutational analysis and overproduction effects of MotX, an essential component for motor function of Na+-driven polar flagella of Vibrio (2017)
  • 著者名/発表者名: Takekawa N, Kojima S, and Homma M
  • 雑誌名: J. Biochem. 巻: 161 (2) ページ: 159-166
  • DOI: 10.1093/jb/mvw061
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Serine suppresses the motor function of a periplasmic PomB mutation in the Vibrio flagella stator. (2016)
  • 著者名/発表者名: Tatsuro Nishikino, Shiwei Zhu, Norihiro Takekawa, Seiji Kojima, Yasuhiro Onoue, Michio Homma
  • 雑誌名: Genes to Cells 巻: 印刷中 号: 5 ページ: 505-516
  • DOI: 10.1111/gtc.12357
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The tetrameric MotA complex as the core of the flagellar motor stator from hyperthermophilic bacterium (2016)
  • 著者名/発表者名: Takekawa N, Terahara N, Kato T, Gohara M, Mayanagi K, Hijikata A, Onoue Y, Kojima S, Shirai T, Namba K, Homma M
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 6 号: 1 ページ: 31526-31526
  • DOI: 10.1038/srep31526
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] HubP, a polar landmark protein, regulates flagellar number by assisting in the proper polar localization of FlhG in Vibrio alginolyticus. (2016)
  • 著者名/発表者名: Takekawa N, Kwon S, Nishioka N, Kojima S, Homma M.
  • 雑誌名: J Bacteriol. 巻: 198(22) 号: 22 ページ: 3091-3098
  • DOI: 10.1128/jb.00462-16
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 細菌べん毛モーター内の蛋白質リング状複合体MSリングの構造モデル (2019)
  • 著者名/発表者名: 竹川宜宏、川本晃大、佐久間麻由子、加藤貴之、小嶋誠司、難波啓一、本間道夫、今田勝巳
  • 学会等名: 第6回生命分子科学研究会
• [学会発表] べん毛MSリングの構造モデル (2019)
  • 著者名/発表者名: 竹川宜宏、川本晃大、佐久間麻由子、加藤貴之、小嶋誠司、難波啓一、本間道夫、今田勝巳
  • 学会等名: 2018年度べん毛研究交流会
• [学会発表] Similarity between the bacterial flagellum and the type III injectisome revealed by the X-ray crystal structure of FliF fragment (2018)
  • 著者名/発表者名: Norihiro Takekawa, Mayuko Sakuma, Seiji Kojima, Michio Homma, Katsumi Imada
  • 学会等名: 第56回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 細菌べん毛モーターMSリングとIII型ニードル複合体との構造類似性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹川宜宏、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • 学会等名: 第91回日本生化学会大会
• [学会発表] 細菌べん毛モーター回転の高粘性応答を補助するストマチン様タンパク質FliLの構造・機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹川宜宏、伊角実優、朱世偉、佐久間麻由子、寺島浩行、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第44回討論会
• [学会発表] 細菌べん毛モーター機能を補助するタンパク質FliLのX線結晶構造解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹川宜宏、伊角実優、朱世偉、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • 学会等名: 第5回生命分子科学研究会
• [学会発表] べん毛モーター固定子付随タンパク質FliLのリング構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹川宜宏、伊角実優、朱世偉、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • 学会等名: 2017年度べん毛研究交流会
• [学会発表] べん毛モーターMSリングの内側部位を形成するFliF断片の構造解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹川宜宏、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • 学会等名: 第14回21世紀大腸菌研究会
• [学会発表] Structure of a periplasmic fragment of FliL, a bacterial flagellar stator associated protein from Vibrio alginolyticus (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹川宜宏、伊角実優、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • 学会等名: 第55回日本生物物理学会年会
• [学会発表] FliLは細菌べん毛モーター固定子を制御するメカノセンサーか？ (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹川宜宏、伊角実優、朱世偉、西野優紀、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • 学会等名: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
• [学会発表] べん毛モーター固定子を取り巻くタンパク質FliLの構造・機能解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹川宜宏、伊角実優、朱世偉、佐久間麻由子、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第43回討論会
• [学会発表] X-ray Crystal Structure Analysis of a Periplasmic Fragment of FIiF, a MS-ring Component of the Bacterial Flagellar Motor (2017)
  • 著者名/発表者名: Norihiro Takekawa, Mayuko Sakuma, Seiji Kojima, Michio Homma, Katsumi Imada
  • 学会等名: Bacterial Flagella, Injectisomes and Type III Secretion Systems
  • 発表場所: 沖縄科学技術大学院大学（沖縄県国頭郡恩納村）
  • 国際学会
• [学会発表] 細菌べん毛モーター固定子タンパク質MotAと回転子タンパク質FliFの構造解析に向けた条件検討 (2016)
  • 著者名/発表者名: 竹川宜宏、佐久間麻由子、山口絵里花、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • 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）
• [学会発表] Screening for the structural analysis of the stator and the rotor proteins MotA and FliF in the bacterial flagellar motor (2016)
  • 著者名/発表者名: 竹川宜宏、佐久間麻由子、山口絵里花、小嶋誠司、本間道夫、今田勝巳
  • 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）
• [備考] 世界初！生物モーターのパワーアップアイテム 細菌べん毛モーターの出力強化蛋白質FliLのしくみを解明
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2019/20190320_2
• [備考] 第29回論文紹介 名古屋大学大学院理学研究科 生命理学専攻・理学部 生命理学科
  • URL: http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/paper/2017-29/12.html
• [備考] 第30回論文紹介 名古屋大学大学院理学研究科 生命理学専攻・理学部 生命理学科
  • URL: http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/paper/2017-30/16.html
• [備考] ビブリオ菌べん毛固定子タンパク質PomBのペリプラズム領域変異が起こすモーター機能障害のセ（以下略）
  • URL: http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/paper/2016-27/18.html
• [備考] べん毛モーター固定子の中核をなす超好熱菌由来四量体MotA複合体
  • URL: http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/paper/2016-28/08.html
• [備考] ビブリオ菌Na+駆動型べん毛モーター構成因子MotXの変異体解析および大量発現による影響
  • URL: http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/paper/2016-28/09.html
• [備考] Ｆ1エンジンに匹敵する回転数をもつ「べん毛モーター」のMotA分子の構造を解明
  • URL: http://www.nagoya-u.ac.jp/about-nu/public-relations/researchinfo/upload_images/20160817_sci.pdf