最新型クライオ電子顕微鏡による細胞分裂フィラメントの高分解能構造解析

• 研究課題/領域番号: 20K22630
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0701:分子レベルから細胞レベルの生物学およびその関連分野
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 藤田 純三 大阪大学, 生命機能研究科, 特任助教(常勤) (80876368)
• 研究期間 (年度): 2020-09-11 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: クライオ電子顕微鏡 / 単粒子解析 / 細胞分裂 / 肺炎桿菌 / 繊維状タンパク質 / FtsZ / モノボディ / 黄色ブドウ球菌 / 構造解析

研究開始時の研究の概要

FtsZは細菌の細胞分裂において重要なタンパク質で、重合してフィラメント状の構造を形成する。重合・脱重合に伴うFtsZフィラメントの運動は多数のタンパク質と連動しており、細胞分裂を制御する役割を担っているが、その機構については未だに不明な点が多い。本研究ではクライオ電子顕微鏡を用いてFtsZフィラメントの立体構造を高分解能で決定することにより、FtsZモノマーのコンフォメーションや隣接分子間における相互作用についての情報を得る。それをもとにFtsZフィラメントの運動、形状変化および重合・脱重合との関連について原子レベルでの知見を得ることを目的とする。

研究成果の概要

本研究では、細菌の細胞分裂中に形成されるFtsZフィラメントのクライオ電子顕微鏡による構造解析を実施した。負染色法による観察により、肺炎桿菌由来FtsZとそれに結合する抗体様タンパク質（モノボディ）を混合すると比較的太く安定なフィラメントが形成されることを見出した。クライオ電子顕微鏡によりデータを取得し解析を行った結果、分解能2.67Åでの構造決定に成功した。全体として2本のFtsZプロトフィラメントが二重らせんを形成するような構造をとっており、モノボディは各プロトフィラメント間の隙間を埋めるように結合していた。これによりFtsZフィラメントの分子基盤を明らかにすることができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

これまでにらせん型のFtsZフィラメントを高分解能で構造決定した例はなく、またその構造はホモログであるチューブリンから構成される微小管に似ているが異なる点もあった。このことは細菌の細胞分裂における構造基盤となる新たな知見を与えるだけでなく、ホモログ間での機能の違いという分子進化の観点からも興味深い。またFtsZは細菌の生存に必須であること、及び今回構造決定に成功したのは病原菌由来のFtsZであることから、その分子機構についての理解を深めることは抗菌薬の開発においても非常に重要である。

研究成果

• [雑誌論文] Epoxidized graphene grid for highly efficient high-resolution cryoEM structural analysis (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujita Junso、Makino Fumiaki、Asahara Haruyasu、Moriguchi Maiko、Kumano Shota、Anzai Itsuki、Kishikawa Jun-ichi、Matsuura Yoshiharu、Kato Takayuki、Namba Keiichi、Inoue Tsuyoshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 2279-2279
  • DOI: 10.1038/s41598-023-29396-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structures of a FtsZ single protofilament and a double-helical tube in complex with a monobody (2023)
  • 著者名/発表者名: Junso Fujita, Hiroshi Amesaka, Takuya Yoshizawa, Kota Hibino, Natsuki Kamimura, Natsuko Kuroda, Takamoto Konishi, Yuki Kato, Mizuho Hara, Tsuyoshi Inoue, Keiichi Namba, Shun-ichi Tanaka, Hiroyoshi Matsumura
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 4073-4073
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39807-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 構造生命科学を支えるクライオ電子顕微鏡法の進歩と将来展望 (2022)
  • 著者名/発表者名: 牧野文信, 藤田純三, 難波啓一
  • 雑誌名: 顕微鏡 巻: 57 号: 3 ページ: 101-107
  • DOI: 10.11410/kenbikyo.57.3_101
  • ISSN: 1349-0958, 2434-2386
  • 年月日: 2022-12-30
  • 査読あり
• [雑誌論文] A panel of nanobodies recognizing conserved hidden clefts of all SARS-CoV-2 spike variants including Omicron (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryota Maeda, Junso Fujita, Yoshinobu Konishi, Yasuhiro Kazuma, Hiroyuki Yamazaki, Itsuki Anzai, Tokiko Watanabe, Keishi Yamaguchi, Kazuki Kasai, Kayoko Nagata, Yutaro Yamaoka, Kei Miyakawa, Akihide Ryo, Kotaro Shirakawa, Kei Sato, Fumiaki Makino, Yoshiharu Matsuura, Tsuyoshi Inoue, Akihiro Imura, Keiichi Namba, Akifumi Takaori-Kondo
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 5 号: 1 ページ: 669-669
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03630-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Human antibody recognition and neutralization mode on the NTD and RBD domains of SARS-CoV-2 spike protein (2022)
  • 著者名/発表者名: Otsubo Ryota、Minamitani Takeharu、Kobiyama Kouji、Fujita Junso、Ito Toshihiro、Ueno Shiori、Anzai Itsuki、Tanino Hiroki、Aoyama Hiroshi、Matsuura Yoshiharu、Namba Keiichi、Imadome Ken-Ichi、Ishii Ken J.、Tsumoto Kouhei、Kamitani Wataru、Yasui Teruhito
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 20120-20120
  • DOI: 10.1038/s41598-022-24730-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 人工結合タンパク質を用いた細胞分裂タンパク質FtsZの構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 上村菜月, 藤田純三, 雨坂心人, 吉澤拓也, 黒田奈津子, 原瑞穂, 井上豪, 難波啓一, 田中俊一, 松村浩由
  • 学会等名: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム(JSR2023)
• [学会発表] EG-grid : 新規化学修飾グラフェングリッドの開発と応用例 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤田純三, 牧野文信, 淺原時泰, 森口舞子, 熊野翔太, 井上豪, 難波啓一
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第79回学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] クライオ電子顕微鏡を用いたFtsZの高分解能構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 日比野滉太, 藤田純三, 上村菜月, 吉澤拓也, 難波啓一, 松村浩由
  • 学会等名: 第23回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] 新規化学修飾グラフェングリッドを利用した細胞分裂タンパク質FtsZフィラメントのクライオ電顕構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤田純三, 雨坂心人, 吉澤拓也, 日比野滉太, 牧野文信, 淺原時泰, 森口舞子, 井上豪, 難波啓一, 田中俊一, 松村浩由
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 効率的なデータ収集を目指した修飾グラフェングリッド(EG-grid)の開発と応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤田純三
  • 学会等名: 生理研研究会2022「新世代のクライオ電子顕微鏡解析」
  • 招待講演
• [学会発表] 効率的なデータ収集を目指した新たなクライオ電子顕微鏡用グリッドの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤田純三
  • 学会等名: BINDS-PDBj講習会「PDBから見てわかるタンパク質の最新研究」
  • 招待講演
• [図書] Histo-Logic Japan Vol.51 No.1 (2023)
  • 著者名/発表者名: 難波啓一, 藤田純三, 牧野文信, 宮田知子(分担執筆、18-21頁)
  • 総ページ数: 31
  • 出版者: サクラファインテックジャパン株式会社
• [図書] クライオ電子顕微鏡ハンドブック (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤田純三, 森口舞子, 淺原時泰, 井上豪(分担執筆、55-61頁、難波啓一, 加藤貴之, 牧野文信 監修)
  • 総ページ数: 460
  • 出版者: 株式会社エヌ・ティー・エス