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夾雑微小空間におけるタンパク質の動的挙動-揺らぎ・反応・局在化と機能-

公募研究

研究領域分子夾雑の生命化学
研究課題/領域番号 20H04708
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 理工系
研究機関京都大学

研究代表者

中曽根 祐介  京都大学, 理学研究科, 助教 (00613019)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
2021年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2020年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
キーワードクラウディング / 反応ダイナミクス / 揺らぎ / 過渡回折格子法 / 細胞抽出液 / 閉じ込め効果 / 混み合い効果 / 相分離 / 微小空間 / 光センサー
研究開始時の研究の概要

タンパク質の動的挙動に対する閉じ込め効果および混み合い効果の解明を目的とする。そのために様々な微小空間内において、タンパク質の揺らぎや反応を、過渡回折格子(TG)法により時間分解で調べる。さらに分子の局在化や酵素活性についても定量的に調べ、閉じ込め効果の要因や、混み合い効果との相乗(相殺)効果、生理機能への影響を物理化学の言葉で明らかにする。こうして夾雑環境の本質的な理解のみならず、「非線形な混み合い効果」や「閉じ込め効果と混み合い効果の協奏」を明らかにし、生命機能を支える複雑かつ絶妙なバランスの解明を目指す。

研究実績の概要

細胞環境を生体分子の反応場として理解するために、様々なクラウディング環境下で、光センサータンパク質PACの反応・揺らぎ・安定性・酵素活性を調べた。主に過渡回折格子(TG)法を用いた解析により、構造安定性と構造揺らぎにトレードオフの関係があることや、光反応性および酵素活性がクラウディング剤濃度の増加とともに単調に低下することを明らかにした。その主な要因として溶液の粘度上昇や排除体積効果が挙げられるが、反応性や機能が低下するという結果は、タンパク質が細胞環境に最適化されているという当初の予想に反するものであった。
細胞内はタンパク質・核酸・代謝物など多様な分子が複雑に共存する環境であり、種々の効果の調和によりタンパク質の動態が決まると考えられる。つまり少数の要素を高濃度に加えるのみでは、これらの調和を解明することは困難である。そこでツメガエルの未受精卵を集め、超遠心分離によって細胞質および核質を希釈すること無しに分画した(九州大学・高橋達郎博士との共同研究)。この卵抽出液は、DNAの合成や修復など、卵細胞が本来持つ生理的活性を試験管内で示すため、細胞内環境を再現する系として理想的である。TG法や蛍光観測により、卵抽出液中でのPACの反応・活性解析を行った結果、少数の要素を高濃度に加えた人工混雑環境とは大きく異なる挙動が観測された。特に酵素活性が回復した点が興味深く、その分子機構に関する解析を進めた。
また細胞内は共局在化や液-液相分離など不均一環境の宝庫であり、生体分子の動的挙動も局所環境の変化に応じて時空間的に変化すると予想される。こうしたダイナミックな世界を実測するために、対物レンズを用いたTG法の開発に取り組んだ。これまでに細胞サイズ程度の微小空間における反応解析が可能な系を構築しており、今後は人工的な微小夾雑空間における分子ダイナミクス解析を進める予定である。

現在までの達成度 (段落)

令和3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

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 1件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (3件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Selective Photoinduced Dimerization and Slow Recovery of a BLUF Domain of EB12022

    • 著者名/発表者名
      Shibata Kosei、Nakasone Yusuke、Terazima Masahide
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 126 号: 5 ページ: 1024-1033

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.1c10100

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Slow Conformational Changes of Blue Light Sensor BLUF Proteins in Milliseconds2022

    • 著者名/発表者名
      Tokonami Shunrou、Onose Morihiko、Nakasone Yusuke、Terazima Masahide
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 144 号: 9 ページ: 4080-4090

    • DOI

      10.1021/jacs.1c13121

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Time-resolved diffusion reveals photoreactions of BLUF proteins with similar functional domains2022

    • 著者名/発表者名
      Nakasone Yusuke、Terazima Masahide
    • 雑誌名

      Photochemical & Photobiological Sciences

      巻: - 号: 4 ページ: 493-507

    • DOI

      10.1007/s43630-022-00214-2

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enzymatic activity of the blue light‐regulated phosphodiesterase BlrP1 from Klebsiella pneumoniae shows a nonlinear dependence on light intensity2021

    • 著者名/発表者名
      Shibata Kosei、Nakasone Yusuke、Terazima Masahide
    • 雑誌名

      FEBS Letters

      巻: - 号: 10 ページ: 1473-1479

    • DOI

      10.1002/1873-3468.14073

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photoreaction of photoactivated adenylate cyclase from cyanobacterium Microcoleus chthonoplastes2021

    • 著者名/発表者名
      Ikoma Misato、Nakasone Yusuke、Terazima Masahide
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology

      巻: 221 ページ: 112252-112261

    • DOI

      10.1016/j.jphotobiol.2021.112252

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Time-Resolved Diffusion Technique for Detection of the Conformational Changes and Molecular Assembly/Disassembly Processes of Biomolecules2021

    • 著者名/発表者名
      Nakasone Yusuke、Terazima Masahide
    • 雑誌名

      Frontiers in Genetics

      巻: 12 ページ: 1-14

    • DOI

      10.3389/fgene.2021.691010

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effect of Hydrated Ionic Liquid on Photocycle and Dynamics of Photoactive Yellow Protein2021

    • 著者名/発表者名
      Umezaki Utana、Hatakenaka Miu、Onodera Kana、Mizutani Hiroto、Kim Suhyang、Nakasone Yusuke、Terazima Masahide、Kimura Yoshifumi
    • 雑誌名

      Molecules

      巻: 26 号: 15 ページ: 4554-4554

    • DOI

      10.3390/molecules26154554

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A unique photochromic UV-A sensor protein, Rc-PYP, interacting with the PYP-binding protein2021

    • 著者名/発表者名
      Kim Suhyang、Nakasone Yusuke、Takakado Akira、Yamazaki Yoichi、Kamikubo Hironari、Terazima Masahide
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 23 号: 33 ページ: 17813-17825

    • DOI

      10.1039/d1cp02731j

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Time-resolved detection of SDS-induced conformational changes in α-synuclein by a micro-stopped-flow system2021

    • 著者名/発表者名
      Takaramoto Shunki、Nakasone Yusuke、Sadakane Kei、Maruta Shinsaku、Terazima Masahide
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 11 号: 2 ページ: 1086-1097

    • DOI

      10.1039/d0ra09614h

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Photoreaction Dynamics of a Full-Length Protein YtvA and Intermolecular Interaction with RsbRA2020

    • 著者名/発表者名
      Choi Seokwoo、Nakasone Yusuke、Hellingwerf Klaas J.、Terazima Masahide
    • 雑誌名

      Biochemistry

      巻: 59 号: 50 ページ: 4703-4710

    • DOI

      10.1021/acs.biochem.0c00888

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Wavelength-Dependent Photoreaction of PYP from Rhodobacter capsulatus2020

    • 著者名/発表者名
      Kim Suhyang、Nakasone Yusuke、Takakado Akira、Yamazaki Yoichi、Kamikubo Hironari、Terazima Masahide
    • 雑誌名

      Biochemistry

      巻: 59 号: 51 ページ: 4810-4821

    • DOI

      10.1021/acs.biochem.0c00821

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 光誘起フォールディング反応および分子シャペロンSecBとの相互作用ダイナミクス2022

    • 著者名/発表者名
      中曽根祐介
    • 学会等名
      日本化学会第102春季年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 光応答性DNAとT7 RNAポリメラーゼの分子間相互作用ダイナミクス2021

    • 著者名/発表者名
      中曽根祐介
    • 学会等名
      第15回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 夾雑微小空間におけるタンパク質の動的挙動2020

    • 著者名/発表者名
      中曽根祐介
    • 学会等名
      分子夾雑の生命化学 第4回領域会議
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [図書] 相分離生物学の全貌(現代化学増刊46)2020

    • 著者名/発表者名
      白木 賢太郎(共著)
    • 総ページ数
      400
    • 出版者
      東京化学同人
    • ISBN
      9784807913466
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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