哺乳動物FoF1ATP合成酵素全体の高分解能及び動的構造解析

• 研究課題/領域番号: 19K15749
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分38030:応用生物化学関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 慈幸 千真理 京都大学, 複合原子力科学研究所, 特別研究員(RPD) (70585976)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2021年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2020年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: Fo F1ATP合成酵素 / ミトコンドリア / 単粒子構造解析 / ATP合成酵素 / 膜タンパク質複合体 / 膜蛋白質複合体 / 精製 / 界面活性剤 / 膜タンパク質

研究開始時の研究の概要

哺乳動物のミトコンドリアFoF1ATP合成酵素の全体構造を決定するため、本研究では、安定で無傷な状態で本酵素を精製するため、独自に開発してきたカラムフリー精製について精製純度をさらに高め、全体構造を解析する。構造解析には①三次元結晶に対するＸ線回折と②単粒子に対するクライオ電顕により、高分解能で構造を決定する、及び③自由に回転する状態にあるものについてクライオ電顕により立体構造変化を捉える、という三つの手段を用い、本酵素のエネルギー伝達メカニズムの解明を目指す。

研究成果の概要

回転を伴い柔軟性が高いために極めて不安定な哺乳動物ミトコンドリアFoF1ATP合成酵素のモノマー、テトラマー、オリゴマーを形態ごとにサブユニットを解離することなく安定に精製し、単分散性の高いクライオグリッドを作製することに成功した。クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子構造解析によりI F１結合型テトラマー全体を約７オングストローム分解能の構造を導いた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、ミトコンドリアの内膜に存在し、哺乳動物の生命活動を維持するために必要なATPエネルギーの95％以上を生産し、また近年の研究によってミトコンドリア膜透過性遷移孔（PTP）として機能することが明らかになってきているFoF1ATP 合成酵素の高分解能構造解析である。その詳細な構造は、本酵素が関与する疾患の創薬研究の基盤となる。

研究成果

• [雑誌論文] Inhibition of ATP-synthase reverse-activity restores energy homeostasis in mitochondrial pathologies. (2023)
  • 著者名/発表者名: Perez, R., Beninca, C., Fernandez del Rio, L., Baghdasarian, C. Shu S., Zanette, V., Gerle, C., Jiko, C., Khairallah, R., Khan, S., Pacheco, D. R. F., Shabane, B., Erion, K., Masand, R.,S. Dugar, S., Ghenoiu, C., Schreiner, G., Stiles, L., Liesa, M., Shirihai, O.S.
  • 雑誌名: EMBO Journal 巻: e111699 号: 10
  • DOI: 10.15252/embj.2022111699
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rapid and Highly Stable Membrane Reconstitution by LAiR Enables the Study of Physiological Integral Membrane Protein Functions. (2023)
  • 著者名/発表者名: Hernandez, A., Asseri, A.H., Purugganan, A.J., Jiko, C., deRam, C., Lill, H., Pabst, M., Mitsuoka, K., Gerle, C., Bald, D., McMillan,D.G.G.
  • 雑誌名: ACS Central Science 巻: 9 号: 3 ページ: 494-507
  • DOI: 10.1021/acscentsci.2c01170
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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
• [産業財産権] FoF1-ATP合成酵素オリゴマー (2022)
  • 発明者名: 慈幸千真理,森本幸 生, GERLE Christoph
  • 権利者名: 慈幸千真理,森本幸 生, GERLE Christoph
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2022
  • 外国
• [産業財産権] ＦｏＦ１－ＡＴＰ合成酵素オリゴマー (2021)
  • 発明者名: 慈幸千真理、ゲーレ・クリストフ、森本幸生
  • 権利者名: 京都大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2021