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動態イメージングによるタンパク質膜透過を担う発動分子複合体の作動メカニズムの解明

公募研究

研究領域発動分子科学:エネルギー変換が拓く自律的機能の設計
研究課題/領域番号 21H00393
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
研究機関名古屋大学

研究代表者

内橋 貴之  名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30326300)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
2022年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2021年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
キーワード高速原子間力顕微鏡 / 一分子計測 / SecA / 膜輸送 / カドヘリン / タンパク質 / 構造変化 / 膜透過 / 膜タンパク質 / トランスロコン
研究開始時の研究の概要

タンパク質の膜透過を担う膜タンパク質複合体は、細胞質にある基質タンパク質を掴んでチャネルに押し込み、さらに膜の逆側から引き抜くという、大きな構造変化を伴った複雑な動きにより機能を発揮する高次な発動分子複合体であると言える。本研究では、高速原子間力顕微鏡(AFM)および蛍光顕微鏡との複合機を駆使して、バクテリアのタンパク質膜透過装置Sec複合体が基質タンパク質を輸送する様子をリアルタイムに可視化し、さらに静止立体構造とのドッキングシミュレイションによる構造モデリングで、膜タンパク質透過の分子メカニズムを明らかにする。

研究実績の概要

SecYAEGの動態観察: 前年度に膜輸送時にはSecAの一部が構造変化している様子を観察することに成功した。今年度はSecYAEGのモデル構造に対して様々な方位で擬似AFM像を形成させることで実AFM像の観察方位を決定する解析法を開発し、既知のPPXDの構造変化(Open/Closed)と高速AFMで観察された構造変化の対応関係を明らかにした。さらに、ATPやADP・Pi、ADP結合状態を模擬する各種ヌクレオチドアナログ存在下でのPPXDの構造を解析し、PPXDの構造状態とATP加水分解サイクルの対応を明らかにするとともに、構造変化の頻度からATP加水分解活性を定量することに成功した。

細胞間接着分子カドヘリンのダイマー形成過程の観察
カドヘリンは隣り合う細胞表面に提示されたカドヘリンと互いに結合することで細胞と細胞をつなぐものの、一分子のスケールでのカドヘリンの結合機構には未だ明らかになっていない部分も多い。そこで、高速AFMを用いて溶液中におけるカドヘリンの結合構造および結合過程を一分子のスケールで直接可視化した。その結果、カドヘリンは複数の異なる形状のダイマーを形成していることがわかった。これらのダイマーの形状とダイナミクスを解析すると、結合界面を頻繁に変えながらダイマー形状が過渡的に変化するS形状ダイマー、ダイマー形状が変化しない安定したW形状ダイマー、同じく安定したcross形状ダイマーの3種類の構造に分類することが出来た。変異体の形状解析から、W形状ダイマーとcross形状ダイマーは、それぞれ従来から知られていたストランドスワップダイマーとXダイマーに対応することがわかった。一方、ダイマー形状がダイナミックに変化するS形状ダイマーは,ストランドスワップダイマーとXダイマーとは異なる新規のダイマー構造であることが明らかになった。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (34件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (18件) (うち国際共著 4件、 査読あり 18件、 オープンアクセス 11件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 5件、 招待講演 12件) 図書 (4件)

  • [雑誌論文] Biosynthesis of highly branched gold nanoparticles through structural engineering of fatty acids2023

    • 著者名/発表者名
      Yue Youfeng、Yokota Yoshiko、Uchihashi Takayuki
    • 雑誌名

      iScience

      巻: 26 号: 1 ページ: 105864-105864

    • DOI

      10.1016/j.isci.2022.105864

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 3D Structure of Ring-shaped Microtubule Swarms Revealed by High-speed Atomic Force Microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Rashid Mst. Rubaya、Ganser Christian、Akter Mousumi、Nasrin Syeda Rubaiya、Kabir Arif Md. Rashedul、Sada Kazuki、Uchihashi Takayuki、Kakugo Akira
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 52 号: 2 ページ: 100-104

    • DOI

      10.1246/cl.220491

    • 関連する報告書
      2022 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] Decoding of the ubiquitin code for clearance of colliding ribosomes by the RQT complex2023

    • 著者名/発表者名
      Matsuo Yoshitaka、Uchihashi Takayuki、Inada Toshifumi
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1 ページ: 79-79

    • DOI

      10.1038/s41467-022-35608-4

    • 関連する報告書
      2022 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] Disulfide Bond-mediated Oligomerization of a Green Fluorescent Protein in Solution2023

    • 著者名/発表者名
      Soon Julian Wong、Oohora Koji、Uchihashi Takayuki、Hayashi Takashi
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 52 号: 2 ページ: 105-109

    • DOI

      10.1246/cl.220495

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Multiple dimeric structures and strand-swap dimerization of E-cadherin in solution visualized by high-speed atomic force microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Nishiguchi Shigetaka、Furuta Tadaomi、Uchihashi Takayuki
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 119 号: 30

    • DOI

      10.1073/pnas.2208067119

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Tip-scan high-speed atomic force microscopy with a uniaxial substrate stretching device for studying dynamics of biomolecules under mechanical stress2022

    • 著者名/発表者名
      Chan Feng-Yueh、Kurosaki Ryo、Ganser Christian、Takeda Tetsuya、Uchihashi Takayuki
    • 雑誌名

      Review of Scientific Instruments

      巻: 93 号: 11 ページ: 113703-113703

    • DOI

      10.1063/5.0111017

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Clarification of Surface Deswelling of Thermoresponsive Microgels by Electrophoresis2022

    • 著者名/発表者名
      Nishizawa Yuichiro、Inui Takumi、Namioka Ryuji、Uchihashi Takayuki、Watanabe Takumi、Suzuki Daisuke
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 38 号: 51 ページ: 16084-16093

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.2c02742

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Lytic polysaccharide monooxygenase increases cellobiohydrolases activity by promoting decrystallization of cellulose surface2022

    • 著者名/発表者名
      Uchiyama Taku、Uchihashi Takayuki、Ishida Takuya、Nakamura Akihiko、Vermaas Josh V.、Crowley Michael F.、Samejima Masahiro、Beckham Gregg T.、Igarashi Kiyohiko
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 8 号: 51

    • DOI

      10.1126/sciadv.ade5155

    • 関連する報告書
      2022 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] Shape-selective one-step synthesis of branched gold nanoparticles on the crystal surface of redox-active Pd<sup>II</sup>-macrocycles2022

    • 著者名/発表者名
      Yamashita Yutaro、Tashiro Shohei、Ishii Yoshiki、Uchihashi Takayuki、Matsushita Nobuyuki、Kubota Ryou、Shionoya Mitsuhiko
    • 雑誌名

      Dalton Transactions

      巻: 51 号: 4 ページ: 1318-1324

    • DOI

      10.1039/d1dt03973c

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Protein Needles Designed to Self‐Assemble through Needle Tip Engineering2022

    • 著者名/発表者名
      Kikuchi Kosuke、Fukuyama Tatsuya、Uchihashi Takayuki、Furuta Tadaomi、Maeda Yusuke T.、Ueno Takafumi
    • 雑誌名

      Small

      巻: 18 号: 10 ページ: 2106401-2106401

    • DOI

      10.1002/smll.202106401

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantitative Visualization of the Interaction between Complement Component C1 and Immunoglobulin G: The Effect of CH1 Domain Deletion2022

    • 著者名/発表者名
      Yanaka Saeko、Nishiguchi Shigetaka、Yogo Rina、Watanabe Hiroki、Shen Jiana、Yagi Hirokazu、Uchihashi Takayuki、Kato Koichi
    • 雑誌名

      International Journal of Molecular Sciences

      巻: 23 号: 4 ページ: 2090-2090

    • DOI

      10.3390/ijms23042090

    • 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] JRAB/MICAL-L2 undergoes liquid-liquid phase separation to form tubular recycling endosomes2021

    • 著者名/発表者名
      Sakane Ayuko、Yano Taka-aki、Uchihashi Takayuki、Horikawa Kazuki、Hara Yusuke、Imoto Issei、Kurisu Shusaku、Yamada Hiroshi、Takei Kohji、Sasaki Takuya
    • 雑誌名

      Communications Biology

      巻: 4 号: 1 ページ: 551-551

    • DOI

      10.1038/s42003-021-02080-7

    • 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] Reconstruction of Three-Dimensional Conformations of Bacterial ClpB from High-Speed Atomic-Force-Microscopy Images2021

    • 著者名/発表者名
      Bhaskar Dasgupta, Osamu Miyashita, Takayuki Uchihashi and Florence Tama
    • 雑誌名

      Frontiers in in Molecular Biosciences: Biological Modeling and Simulation

      巻: 8 ページ: 704274-704274

    • DOI

      10.3389/fmolb.2021.704274

    • 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] Tardigrade Secretory-Abundant Heat-Soluble Protein Has a Flexible β-Barrel Structure in Solution and Keeps This Structure in Dehydration2021

    • 著者名/発表者名
      Kazuhisa Miyazawa, Satoru G. Itoh, Hiroki Watanabe, Takayuki Uchihashi, Saeko Yanaka, Maho Yagi-Utsumi, Koichi Kato, Kazuharu Arakawa, and Hisashi Okumura
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry B

      巻: 125 号: 32 ページ: 9145-9154

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.1c04850

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Deformation of microtubules regulates translocation dynamics of kinesin2021

    • 著者名/発表者名
      Syeda Rubaiya Nasrin, Christian Ganser, Seiji Nishikawa, Arif Md Rashedul Kabir, Kazuki Sada, Takefumi Yamashita, Mitsunori Ikeguchi, Takayuki Uchihashi, Henry Hess, Akira Kakugo
    • 雑誌名

      Sci Adv

      巻: 7 号: 42 ページ: 1-11

    • DOI

      10.1126/sciadv.abf2211

    • 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 / 国際共著
  • [雑誌論文] Desiccation-induced fibrous condensation of CAHS protein from an anhydrobiotic tardigrade2021

    • 著者名/発表者名
      Yagi-Utsumi Maho、Aoki Kazuhiro、Watanabe Hiroki、Song Chihong、Nishimura Seiji、Satoh Tadashi、Yanaka Saeko、Ganser Christian、Tanaka Sae、Schnapka Vincent、Goh Ean Wai、Furutani Yuji、Murata Kazuyoshi、Uchihashi Takayuki、Arakawa Kazuharu、Kato Koichi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 号: 1 ページ: 21328-21328

    • DOI

      10.1038/s41598-021-00724-6

    • 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] Construction of ferritin hydrogels utilizing subunit_subunit interactions2021

    • 著者名/発表者名
      Masaru Yamanaka, Tsuyoshi Mashima, Michio Ogihara, Mei Okamoto, Takayuki Uchihashi, and Shun Hirota
    • 雑誌名

      PLoS ONE

      巻: 16 号: 11 ページ: e0259052-e0259052

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0259052

    • 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] Molecular Origin of the Anomalous pH Effect in Blue Proteorhodopsin2021

    • 著者名/発表者名
      Mizuki Sumikawa, Rei Abe-Yoshizumi, Takayuki Uchihashi, and Hideki Kandori
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 12 号: 51 ページ: 12225-12229

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.1c03355

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡の最近の応用展開と機能拡張2023

    • 著者名/発表者名
      内橋 貴之
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会バイオSPM研究会2022 -最新SPM計測技術とその応用展開:生体分子・細胞・組織-
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡の分子ダイナミクス計測への応用と機能拡張2023

    • 著者名/発表者名
      内橋 貴之
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会 第47回関東支部講演会「尖った顕微鏡計測の最前線」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡を用いた生体/人工高分子のダイナミクス解析2023

    • 著者名/発表者名
      内橋 貴之
    • 学会等名
      高分子のためのキャラクタリゼーションセミナー2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡による生体高分子の動的挙動観察2022

    • 著者名/発表者名
      内橋 貴之
    • 学会等名
      第71回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] How to interpret movies of protein dynamics captured by high-speed AFM? ~ Significance of bridging experimental data and computational/mathematical simulations ~2022

    • 著者名/発表者名
      T. Uchihashi
    • 学会等名
      蛋白研セミナー:Frontier of Dynamic Structural Biology
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Dynamic Structural Biology Driven By High-Speed Atomic Force Microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      T. Uchihashi
    • 学会等名
      ABA, APPA & TBS Joint Congress 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Local mechanical indentation combined with high-speed AFM2022

    • 著者名/発表者名
      T. Uchihashi
    • 学会等名
      Workshop on Computational Biophysics of Atomic Force Microscopy : A Lecture Course Approach
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Dynamic Structural Biology Driven By High-Speed Atomic Force Microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      T. Uchihashi
    • 学会等名
      Specialized iNANO Lecture
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-speed AFM observation of ring-shaped ATPase2022

    • 著者名/発表者名
      T. Uchihashi
    • 学会等名
      Symposium on Frontier Research for Disease-related Proteins and 2023 Korea-Japan Joint Meeting for Molecular Sciences
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡で可視化する生体/人工分子の一分子ダイナミクス2022

    • 著者名/発表者名
      内橋貴之
    • 学会等名
      明治薬科大学大学院フロンティアシンポジウム: 生命への架け橋
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡で撮影するタンパク質の機能動態2021

    • 著者名/発表者名
      内橋貴之
    • 学会等名
      第21回 日本蛋白質科学会年会: WS5. 高速分子動画:タンパク質の構造機能相関研究の最先端
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高速AFMによる高分子ゲル微粒子の構造物性動態イメージング2021

    • 著者名/発表者名
      内橋貴之
    • 学会等名
      第70回高分子討論会: S6. ソフトマテリアルイメージングの最前線
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [図書] "Microtubule Preparation for Investigation with High-Speed Atomic Force Microscopy": PART V: Analysis of Microtubule Dynamics and Structures, 22 in Microtubules : Methods and Protocols (Methods in Molecular Biology) (Hiroshi Inaba Ed.)2022

    • 著者名/発表者名
      Christian Ganser and Takayuki Uchihashi
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      9781071619827
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] 図説 表面分析ハンドブック2021

    • 著者名/発表者名
      日本表面真空学会
    • 総ページ数
      576
    • 出版者
      朝倉書店
    • ISBN
      9784254201703
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] "Single-Molecule Methods Applied to Circadian Proteins with Special Emphasis on Atomic Force Microscopy": pp. 147-178 in Circadian Rhythms in Bacteria and Microbiomes (C. H, Johnson and M. J. Rust Eds)2021

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Mori and Takayuki Uchihashi,
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      9783030721589
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] 実験医学別冊 「創薬研究のための相互作用解析パーフェクト: 低中分子・抗体創薬におけるスクリーニング戦略と実例、in silico解析、一歩進んだ分析技術まで」(津本浩平,前仲勝実 編): 第3章 ひとつ進んだ相互作用の理解をめざして: 5.高速原子間力顕微鏡によるタンパク質間動的相互作用の一分子計測2021

    • 著者名/発表者名
      内橋貴之
    • 総ページ数
      368
    • 出版者
      羊土社
    • ISBN
      9784758122566
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2023-12-25  

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