ATP合成に関わるミトコンドリア呼吸鎖超複合体とATP合成酵素の高分解能構造解析

• 研究課題/領域番号: 17H03646
• 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: 兵庫県立大学
• 研究代表者: 伊藤 恭子 (新澤恭子) 兵庫県立大学, 生命理学研究科, 特任准教授 (70206316)
• 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: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円); 2019年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2018年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2017年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
• キーワード: 呼吸鎖超複合体 / ATP合成酵素 / ミトコンドリア / 呼吸鎖電子伝達系 / 複合体Ⅳ / supercomplex / ATP synthase / mitochondria / respiratory chain / Super complex / ミトコンドリア呼吸鎖 / ATP合成酵素（複合体V) / X線結晶構造解析 / ATP合成

研究成果の概要

ミトコンドリア呼吸鎖複合体 I、III、IVは電子伝達に伴いプロトン能動輸送を行い、そのプロトン駆動力により複合体VはATPを合成する。又複合体I、III、IVは、超複合体を形成している。ウシ心筋ミトコンドリア膜から無傷で精製した超複合体と各複合体の機能と構造を比較し、それらの複合体間の相互作用を構造と機能から解明を試みた。これまで複合体Ⅳの2量体構造解明が進められてきたが、ミトコンドリア内では単量体が活性型として機能し、カルジオリピンを介して複合体Ⅰ、Ⅲと相互作用していることを見出した。超複合体中の複合体Ⅳのラマン分光法による解析から超複合体形成に伴う大きな構造変化はない事が明らかとなった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

2量体結晶構造が詳細に解明されてきた複合体Ⅳは、膜内及び超複合体内では単量体で存在し、単量体が活性型である事を示した。単量体結晶のX線結晶構造はカルジオリピンが複合体Ⅳの2量体形成ではなく複合体Ⅰ、Ⅲとの相互作用に関わることを示した。超複合体と各複合体混合溶液の振動分光学解析は会合が活性中心の大きな構造変化を伴わない事を示した。また、高い呼吸活性を示すが、比較的不飽和度が低く短鎖の脂質を含む流動性のある膜内で、密度を及び電子伝達体の割合を高くすることにより超複合体形成を伴わないで効率の良いATP合成を可能にしているショウジョウバエの適応は、ミトコンドリア内でのATP産生調節の多様性を示した。

研究成果

• [雑誌論文] Oversized ubiquinones as molecular probes for structural dynamics of the ubiquinone reaction site in mitochondrial respiratory complex I (2020)
  • 著者名/発表者名: Uno, S., Masuya, T., Shinzawa-Itoh, K., Lasham, J., Haapanen, O., Shiba, T., Inaoka, D. K., Sharma, V., Murai, M., and Miyoshi, H.
  • 雑誌名: The Journal of Biological Chemistry 巻: 295 号: 8 ページ: 2449-2463
  • DOI: 10.1074/jbc.ra119.012347
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] X-ray structures of catalytic intermediates of cytochrome c oxidase provide insights into its O2 activation and unidirectional proton-pump mechanisms (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Shimada, Y. Etoh, R. Kitoh-Fujisawa, A. Sasaki, K. Shinzawa-Itoh, T. Hiromoto, E. Yamashita, K. Muramoto, T. Tsukihara, S. Yoshikawa
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 295 号: 17 ページ: 5818-5833
  • DOI: 10.1074/jbc.ra119.009596
  • 査読あり
• [雑誌論文] Osmotic Pressure Effects Identify Dehydration upon Cytochrome c - Cytochrome c Oxidase Complex Formation Contributing to a Specific Electron Pathway Formation (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato, W., Hitaoka, S., Uchida, T., Shinzawa-Itoh, K., Yoshizawa, K., Yoshikawa, S., Ishimori, K.
  • 雑誌名: Biochem. J. 巻: 印刷中 号: 8 ページ: 1565-1578
  • DOI: 10.1042/bcj20200023
  • NAID: 120007029079
  • 査読あり
• [雑誌論文] Monomeric structure of an active form of bovine cytochrome c oxidase (2019)
  • 著者名/発表者名: Shinzawa-Itoh Kyoko、Sugimura Takashi、Misaki Tomonori、Tadehara Yoshiki、Yamamoto Shogo、Hanada Makoto、Yano Naomine、Nakagawa Tetsuya、Uene Shigefumi、Yamada Takara、Aoyama Hiroshi、Yamashita Eiki、Tsukihara Tomitake、Yoshikawa Shinya、Muramoto Kazumasa
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 116 号: 40 ページ: 19945-19951
  • DOI: 10.1073/pnas.1907183116
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Purified F-ATP synthase forms a Ca2+dependent high-conductance channel matching the mitochondrial permeability transition pore. (2019)
  • 著者名/発表者名: Urbani A,Giorgio V,Carrer A, Franchin C,Arrigoni G, Jiko C,Abe K,Maeda S, Sginzawa-Itoh K, Bogers JF, McMillan DG, Gerle C, Szabo I, Bernardi P
  • 雑誌名: Nature communications 巻: 4341 号: 1 ページ: 4341-4341
  • DOI: 10.1038/s41467-019-12331-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Low-dose X-ray structure analysis of cytochrome c oxidase utilizing high-energy X-rays. (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Ueno, A. Shimada, E. Yamashita, K. Hasegawa, T. Kumasaka, K. Shinzawa-Itoh, S. Yoshikawa, T. Tsukihara, M. Yamamoto.
  • 雑誌名: J Synchrotron Radiat. 巻: 26 号: 4 ページ: 912-921
  • DOI: 10.1107/s1600577519006805
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Higd1a improves respiratory function in the models of mitochondrial disorder (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagao Takemasa、Shintani Yasunori、Hayashi Takaharu、Kioka Hidetaka、Kato Hisakazu、Nishida Yuya、Yamazaki Satoru、Tsukamoto Osamu、Yashirogi Shohei、Yazawa Issei、Asano Yoshihiro、Shinzawa‐Itoh Kyoko、Imamura Hiromi、Suzuki Takeo、Suzuki Tsutomu、Goto Yu‐ichi、Takashima Seiji
  • 雑誌名: The FASEB Journal 巻: 34 号: 1 ページ: 1859-1871
  • DOI: 10.1096/fj.201800389r
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solubilization conditions for bovine heart mitochondrial membranes allow selective purification of large quantities of respiratory complexes I, III, and V (2018)
  • 著者名/発表者名: Shimada S, Maeda S, Hikita M, Mieda-Higa K, Uene S, Nariai Y, Shinzawa-Itoh K
  • 雑誌名: Protein Expr Purif. 巻: 150 ページ: 33-43
  • DOI: 10.1016/j.pep.2018.04.015
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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] Performance of a time-resolved IR facility for assessment of protonation T states and polarity changes in carboxyl groups in a large membrane protein, mammalian cytochrome c oxidase, under turnover conditions in a sub-millisecond time resolution (2018)
  • 著者名/発表者名: Chen Li, Tatsuhito Nishiguchi, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Takashi Ogura, Satoru Nakashima
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta 巻: 1859 号: 10 ページ: 1045-1050
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2018.05.015
  • 査読あり
• [雑誌論文] X-ray structural analyses of azide-bound cytochrome c oxidases reveal that the H-pathway is critically important for the proton-pumping activity. (2018)
  • 著者名/発表者名: 1.Shimada A, Hatano K, Tadehara H, Yano N, Shinzawa-Itoh K, Yamashita E, Muramoto K, Tsukihara T, Yoshikawa S.
  • 雑誌名: J Biol Chem. 巻: 293 号: 38 ページ: 14868-14879
  • DOI: 10.1074/jbc.ra118.003123
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A unique respiratory adaptation in Drosophila independent of supercomplex formation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Shimada S, Oosaki M, Takahashi R, Uene S, Yanagisawa S, Tsukihara T, Shinzawa-Itoh K.
  • 雑誌名: Biochim Biophys Acta. 巻: 1859 号: 2 ページ: 154-163
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2017.11.007
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Monomeric structure of an active form of bovine cytochrome c oxidase. (2019)
  • 著者名/発表者名: Shinzawa-Itoh K., Sugimura T., Misaki T., Tadehara Y., Yamamoto S., Hanada M., Yano N., Nakagawa T., Uene S., Yamada T., Aoyama H., Yamashita E., Tsukihara T., Yoshikawa S., and Muramoto K.
  • 学会等名: 日本生化学会
• [学会発表] Solubilization conditions for bovine heart mitochondrial membranes allow selective purification of large quantities of respiratory complexes I, III, and V (2018)
  • 著者名/発表者名: Kyoko Shinzawa-Itoh
  • 学会等名: 日本生化学会
• [学会発表] A unique respiratory adaptation in Drosophila independent of supercomplex formation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kyoko Shinzawa-Itoh
  • 学会等名: 生物物理学会
• [学会発表] Complex structure of cytochrome c-cytochrome c oxidase reveals a novel interprotein interaction mode (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤(新澤)恭子
  • 学会等名: 第19回国際生物物理学(International Union for Pure and Applied Biophysics：IUPAB)大会
  • 国際学会
• [学会発表] Complex structure of cytochrome c-cytochrome c oxidase reveals a novel interprotein interaction mode (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤(新澤)恭子
  • 学会等名: 第9回国際構造生物学会（9th International Conference on Structural Biology）
  • 国際学会
• [学会発表] ショウジョウバエのミトコンドリアにおける超複合体形成によらない独特の呼吸適応 (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤(新澤)恭子
  • 学会等名: 2017年度生命科学系学会合同年次大会（ConBio2017）