回転軸のないＶ１モーターが一方向に回転運動する分子機構の解明

• 研究課題/領域番号: 17H03638
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 構造生物化学
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 村田 武士 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (80415322)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2019年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2018年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円); 2017年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
• キーワード: V-ATPase / 分子モーター / 構造解析

研究成果の概要

V-ATPaseは、A3B3複合体でATPを加水分解し、軸DF部分の回転エネルギー変換を介してイオンを輸送するイオンポンプである。我々は、腸球菌A3B3複合体の結晶構造を明らかにし、高速原子間力顕微鏡（高速AFM）によりA3B3複合体がATPアナログ依存に一方向へ回転運動することを見出した。本研究では、A3B3複合体が一方向に回転運動する分子機構の解明を目的に、ADP結合型およびATP結合型A3B3複合体やその変異体の結晶構造と生化学的性質を明らかにした。得られた結果を総合して、A3B3複合体の分子機構モデルを提案した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究よるA3B3複合体の分子メカニズムの解明は、V1モーターの協同的な反応機構の根本的な理解に重要であるばかりでなく、その他の分子モーターがもつ分子機構の一般原理の理解にも重要であると考えられる。また、V-ATPaseが関連するガン転移や骨粗鬆症などの重要な疾病原因の理解やその治療法についても進展することが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Arizona State University/University of Illinois(米国)
• [国際共同研究] University de Lorraine(フランス)
• [国際共同研究] Arizona State University/University of Illinois(米国)
• [国際共同研究] University de Lorraine(フランス)
• [雑誌論文] Single-molecule analysis reveals rotational substeps and chemo-mechanical coupling scheme of Enterococcus hirae V1-ATPase (2019)
  • 著者名/発表者名: Iida Tatsuya、Minagawa Yoshihiro、Ueno Hiroshi、Kawai Fumihiro、Murata Takeshi、Iino Ryota
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 294 号: 45 ページ: 17017-17030
  • DOI: 10.1074/jbc.ra119.008947
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metastable asymmetrical structure of shaftless V1 motor (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Maruyama, K. Suzuki, M. Imamura, H. Sasaki, H. Matsunami, K. Mizutani, Y. Saito, F. L. Imai, Y. Ishizuka-Katsura, T. Kimura-Someya, M. Shirouzu, T. Uchihashi, T. Ando, I. Yamato, T. Murata
  • 雑誌名: Sci. Adv. 巻: 5 号: 1
  • DOI: 10.1126/sciadv.aau8149
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Rotational Mechanism Model of the Bacterial V1 Motor Based on Structural and Computational Analyses (2019)
  • 著者名/発表者名: Singharoy A, Chipot C, Ekimoto T, Suzuki K, Ikeguchi M, Yamato I, Murata T.
  • 雑誌名: Front Physiol. 巻: 10 ページ: 1-12
  • DOI: 10.3389/fphys.2019.00046
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Off-axis rotor in Enterococcus hirae V-ATPase visualized by Zernike phase plate single-particle cryo-electron microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsunoda Jun、Song Chihong、Imai Fabiana Lica、Takagi Junichi、Ueno Hiroshi、Murata Takeshi、Iino Ryota、Murata Kazuyoshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 15632-15632
  • DOI: 10.1038/s41598-018-33977-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] バンコマイシン耐性腸球菌に存在するV-ATPaseを分子標的とした新規抗菌薬の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 清水 康輝、薬師寺 リカ ファビアナ、森山 克彦、後藤 義幸、村田 武士
  • 学会等名: 第92回日本細菌学会総会
• [学会発表] Na+-transporting V-ATPase is a new target for drug development against Vancomycin-resistant Enterococcus (VRE) (2019)
  • 著者名/発表者名: Kouki Shimizu, Fabiana Lica Yakushiji, Katsuhiko Moriyama, Yoshiyuki Goto, Takeshi Murata
  • 学会等名: Gordon Research Conference on Bioenergetics
  • 国際学会
• [学会発表] Development of new antibacterial drug targeting V-ATPase in Vancomycin-resistant Enterococcus (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Murata
  • 学会等名: Gordon Research Conference on Bioenergetics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The combination of high-speed atomic force microscopy and X-ray crystallography reveals rotary catalysis of a shaftless V1 motor (2019)
  • 著者名/発表者名: Shintaro Maruyama, Motonori Imamura, Takayuki Uchihashi, Kazuya Nakamoto, Mizutani Kenji, Lica Fabiana Imai, Kano Suzuki, Yoshiko Ishizuka-Katsura, Tomomi Someya-Kimura, Mikako Shirouzu, Ichiro Yamato, Toshio Ando, Takeshi Murata
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Chemo-mechanical coupling scheme of rotary molecular motor Enterococcus hirae V1-ATPase revealed by single-molecule analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Iida, Yoshihiro Minagawa, Hiroshi Ueno, Fumihiro Kawai, Takeshi Murata, Ryota Iino
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会
• [学会発表] The off-axis rotor of Enterococcus hirae V-type ATPase by Volta phase contrast cryo-EM (2019)
  • 著者名/発表者名: Burton-Smith Raymond. N, Tsunoda Jun, Yamamori Yu, Miyazaki Naoyuki, Imai Fabiana L., Song Chihong, Tomii Kentaro, Iwasaki Kenji, Takagi Junichi, Ueno Hiroshi, Murata Takeshi, Iino Ryota, Murata Kazuyoshi
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 回転分子モータータンパク質によるプロトン輸送メカニズム (2019)
  • 著者名/発表者名: 村田武士
  • 学会等名: 第９２回日本生化学会
  • 招待講演
• [学会発表] 薬剤耐性腸球菌V-ATPaseを標的とした新規抗菌薬の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 清水 康輝、森山 克彦、後藤 義幸、村田 武士
  • 学会等名: 第45回生体エネルギー研究会
• [学会発表] New methodologies for human membrane protein crystallography (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Murata
  • 学会等名: Gordon Research Conference on IGF and Insulin System in Physiology and Disease
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 理論計算を用いた膜蛋白質の耐熱化法の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 村田武士
  • 学会等名: 第４回蛋白質工学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] N 末端側βバレルドメインのクラウン構造が非対称性を生み、恊動性を付与する (2018)
  • 著者名/発表者名: 丸山 慎太郎、鈴木 花野、今村 元紀、佐々木 輝、松波 秀行、水谷 健二、齋藤 靖子、今井 ファビアナ・リカ、石塚(桂)芳子、 染谷(木村)友美、白水 美香子、内橋 貴之、安藤 敏夫、山登 一郎、村田 武士
  • 学会等名: 第18回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] Immobilization of conformational state of E.hirae V-ATPase complex using PA tag system for structural analysis (2018)
  • 著者名/発表者名: Fabiana L Yakushiji, Jun Tsunoda, Chihong Song, Hiroshi Ueno, Ryota Iino, Satoshi Ogasawara, Junichi Takagi, Kazuyoshi Murata, Takeshi Murata
  • 学会等名: 第18回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] N-terminal b-barrel domain constraint gives rise the asymmetrical motor structure of V1-ATPase to provide cooperativity (2017)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Murata
  • 学会等名: Gordon Research Conference in Molecular and Cellular Bioenergetics
  • 国際学会
• [学会発表] 回転分子モーターの酵素反応機構の完全理解に向けて (2017)
  • 著者名/発表者名: 村田武士
  • 学会等名: 第一回量子生命科学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 膜タンパク質の構造解析のボトルネックと解決策 (2017)
  • 著者名/発表者名: 村田武士
  • 学会等名: 第１２回トランスポーター研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular mechanism of the structural formation of V1 rotary motor (2017)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Murata
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] X線を用いた膜タンパク質の結晶構造解析の展望 (2017)
  • 著者名/発表者名: 村田武士
  • 学会等名: KEK物質構造科学研究所 設立20周年記念シンポジウム
  • 招待講演