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ヘムトランスポーターの動的結晶構造解析

公募研究

研究領域動的構造生命科学を拓く新発想測定技術-タンパク質が動作する姿を活写する-
研究課題/領域番号 17H05896
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 複合領域
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

杉本 宏  国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 専任研究員 (90344043)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
13,000千円 (直接経費: 10,000千円、間接経費: 3,000千円)
2018年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2017年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
キーワードヘム / X線構造解析 / 蛋白質
研究実績の概要

アデノシン三リン酸(ATP)は生体でエネルギーのやりとりを媒介している。病原性バクテリア由来が持つタンパク質であるヘムインポーターも、ATPのエネルギーを駆動力としてヘムをペリプラズムから細胞質への膜輸送を行っている。インポーターのヌクレオチド結合サブユニットへのATP結合や加水分解反応がトランスポーターの膜貫通領域や全体構造の動きとどのように共役しているのかという基本的な現象の作動原理について明らかにすることを目的としている。通常の構造解析によってヘムの非結合型の結晶構造の決定に成功しているが、X線自由レーザーを用いた動的結晶構造を行うための技術基盤開発を行った。また、ヘム結合型の結晶を得ることが困難なことから、溶液状態での解析が可能なクライオ電子顕微鏡法による構造決定を目指してサンプル調製方法の最適化を行った。界面活性剤を用いて二つの膜貫通ドメイン(TMD)と二つのヌクレオチド結合ドメイン(NBD)からなる複合体を可溶化し、Ni-NTAカラム上でPBPとの複合体を形成させた。カラムから溶出させたPBP-TMD-NBD複合体をゲルろ過クロマトグラフィーによってさらに精製した。精製後の試料の可視吸収スペクトルはSoret帯に吸収極大を示すことから、ヘム結合型であることを確認した。ネガティブ染色した試料を透過型電子顕微鏡による画像撮影によってヘムインポーターと同程度のサイズの粒子が多数観察されたことから安定な状態であることが確認できた。さらに、連携研究者と共同で計算機科学の手法を用いて動的性質を明らかにするために、ヘムインポーターとその周りの生体膜や水分子を模した全原子モデルを再現し、ATP結合の過程をシミュレートした。その結果、大規模な構造変化の過程が明らかとなった。そしてATPの加水分解反応が適切なタイミングで起こるためのタンパク質の制御メカニズムを提案した。

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。

報告書

(2件)
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2019 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 4件、 招待講演 5件)

  • [国際共同研究] University of Essex/Diamond Light Source(英国)

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [雑誌論文] Dose-resolved serial synchrotron and XFEL structures of radiation sensitive metalloproteins2019

    • 著者名/発表者名
      Ebrahim, A., Moreno-Chicano, T., Appleby, M. V., Chaplin, A. K., Beale, J. H., Sherrell, D. A., Duyvesteyn, H. M. E., Owada, S., Tono, K., Sugimoto, H., Strange, R. W., Worrall, J. A. R., Axford, D., Owen, R. L., Hough, M. A.
    • 雑誌名

      IUCrJ

      巻: 6 号: 4 ページ: 543-543

    • DOI

      10.1107/s2052252519003956

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] ヘム輸送体の立体構造と基質輸送メカニズム2018

    • 著者名/発表者名
      杉本 宏、城 宜嗣
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 58 号: 1 ページ: 022-023

    • DOI

      10.2142/biophys.58.022

    • NAID

      130006322041

    • ISSN
      0582-4052, 1347-4219
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Capturing an initial intermediate during the P450nor enzymatic reaction using time-resolved XFEL crystallography and caged-substrate2017

    • 著者名/発表者名
      Tosha Takehiko、Kubo Minoru, et. al
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 8 号: 1 ページ: 1-9

    • DOI

      10.1038/s41467-017-01702-1

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Structural basis for binding and transfer of heme in bacterial heme-acquisition systems2017

    • 著者名/発表者名
      Naoe Youichi、Nakamura Nozomi、Rahman Md. Mahfuzur、Tosha Takehiko、Nagatoishi Satoru、Tsumoto Kouhei、Shiro Yoshitsugu、Sugimoto Hiroshi
    • 雑誌名

      Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics

      巻: 85 号: 12 ページ: 2217-2230

    • DOI

      10.1002/prot.25386

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ヘム輸送タンパク質の立体構造2017

    • 著者名/発表者名
      杉本宏
    • 雑誌名

      感染・炎症・免疫

      巻: 47 ページ: 41-144

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] バクテリアにおけるヘムの獲得と輸送の構造生物学2017

    • 著者名/発表者名
      杉本 宏
    • 雑誌名

      日本結晶学会誌

      巻: 59 号: 4 ページ: 166-173

    • DOI

      10.5940/jcrsj.59.166

    • NAID

      130006032057

    • ISSN
      0369-4585, 1884-5576
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Computational Modeling of the Outward-facing Form and the Occluded Intermediate of a Heme Importer with Bound Nucleotides2018

    • 著者名/発表者名
      K. Tamura, H. Sugimoto, Y. Shiro, and Y. Sugita
    • 学会等名
      256th American Chemical Society National Meeting
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 分子シミュレーションによるヘムインポーターの化学-力学共役機構の解明2018

    • 著者名/発表者名
      田村康一 , 杉本宏 , 城宜嗣 , 杉田有治
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Structure analysis of radiation-sensitive NO-bound state of cytochrome P450nor using XFEL at SACLA2018

    • 著者名/発表者名
      H. Sugimoto
    • 学会等名
      10th International workshop on X-ray radiation damage to biological samples
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Structural basis of the ABC heme transporter in iron uptake system of pathogenic bacteria2018

    • 著者名/発表者名
      H. Sugimoto
    • 学会等名
      7th FEBS Special Meeting on ABC Proteins
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 結晶構造から明らかになった病原菌ヘムトランスポーターの分子メカニズム2017

    • 著者名/発表者名
      杉本宏
    • 学会等名
      第17回日本蛋白質科学会年会ワークショップ:生体内の金属動態
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 病原菌のヘム輸送タンパク質の立体構造と機能2017

    • 著者名/発表者名
      杉本宏
    • 学会等名
      第41回日本鉄バイオサイエンス学会学術集会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Structural basis of the ABC heme transporter in iron uptake system of pathogenic bacteria2017

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Sugimoto
    • 学会等名
      7th FEBS Special Meeting on ABC Proteins - ABC2018
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2017-04-28   更新日: 2019-12-27  

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