選択的ユビキチン識別機構の構造生物学

2013 年度 実績報告書

• 研究領域: ユビキチンネオバイオロジー：拡大するタンパク質制御システム
• 研究課題/領域番号: 24112009
• 研究機関: 兵庫県立大学
• 研究代表者: 水島 恒裕 兵庫県立大学, 生命理学研究科, 教授 (90362269)
• 研究分担者: 加藤 龍一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 准教授 (50240833)
• 研究期間 (年度): 2012-06-28 – 2017-03-31
• キーワード: タンパク質 / ユビキチン / 構造生物学 / 分子認識 / Ｘ線化粧構造解析

研究概要

ユビキチンによる翻訳後修飾は、多彩な生命現象の制御において中核的な役割を果たしており、ユビキチン鎖による修飾は遺伝情報を飛躍的に増幅している。ユビキチン修飾による生命現象の調節はユビキチン鎖を認識する識別タンパク質、合成を行うユビキチンリガーゼ、除去の役割を担う脱ユビキチン化酵素に加え、多様な連結様式によりタンパク質機能を調節するユビキチン鎖により行われており、その反応機構を理解することを目指し、これらタンパク質の構造解析を行った。
研究代表者グループは、赤痢菌が感染時に宿主の免疫系を制御するために分泌するエフェクタータンパク質である、OspIと宿主内の基質タンパク質Ubc13の複合体構造をＸ線結晶構造解析により決定し、その構造と機能に関する研究成果をJournal of Molecular Biology誌に発表した。本研究成果はFeatured communicationおよび表紙に選出された。
また、領域内共同研究によりSCFユビキチンリガーゼFBG3の構造をSkp1-FBG3複合体として決定し、構造既知のファミリータンパク質Fbs1と比較することにより、その機能の違いを考察した。さらに、ユビキチンリガーゼKeap1と複数の結合タンパク質の複合体構造を決定した。
研究分担者のグループは領域内共同研究進め、直鎖状ユビキチンがＮＦκ経路を制御する際の鍵となるNEMOタンパク質とユビキチン分子の複合体の結晶構造を明らかにし、論文発表を行った。さらに、BAG6タンパク質とUbl4aの複合体の結晶構造解析に成功した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ユビキチン経路を制御する赤痢菌の感染戦略を、それに関わる酵素を複合体状態で構造解析し、立体構造情報をもとに機能解析を行うことにより、明らかにした。また、分解以外の役割を持つ直鎖状ユビキチン鎖とNEMOタンパク質の複合体構造を明らかにした。これらの研究成果は論文として報告した。研究成果は当初計画したユビキチン経路の関わる新たな役割を構造生物学的に示すものである。
さらに、本領域発足後に開始した領域内共同研究からKeap1とp62やKeap1とNrf2の複合体構造解析に成功するとともに、他のユビキチン結合タンパク質やユビキチンリガーゼの結晶化が順調に進行している。

今後の研究の推進方策

本研究は多様な連結様式によりタンパク質機能を調節する、ユビキチン鎖に関わるタンパク質群を、構造生物学的手法を用いて解析することにより、ユビキチン修飾により制御された生命現象の理解を目指すものである。
これまでの研究によりOspIの特異的な基質認識機構を明らかにしたことから、その修飾により制御される免疫系の阻害機構を構造生物学的手法を用いて解析する。さらに、赤痢菌エフェクターにはOspI以外にもユビキチン経路を制御する複数のタンパク質が存在している。そこで、それらのエフェクターIpaHの構造解析を行う。また、BAG6の複合体結晶構造に基づき、変異体の作成とその解析を進めており、それらをとりまとめて論文発表を行う。
これらの研究と共に、領域内の共同研究により複数種類のユビキチンリガーゼ、ユビキチン結合タンパク質、脱ユビキチン化酵素の発現系構築に取り組んでおり、構造解析に適した条件を決定するため、標的タンパク質の機能領域の特定、高発現条件の決定、精製系の構築を共同で進め、構造解析を目指す計画である。

研究成果

• [雑誌論文] Kinetic, Thermodynamic and Structural Characterizations of Association between Nrf2-DLGex Degron and Keap1. (2014)
  • 著者名/発表者名: Fukutomi, T., Takagi, K., Mizushima, T., Ohuchi, N., and Yamamoto, M.
  • 雑誌名: Moll Cell Biol. 巻: 34 ページ: 832-846
  • DOI: doi: 10.1128/MCB.01191-13.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Mechanism underlying IKK activation mediated by the linear ubiquitin (2014)
  • 著者名/発表者名: Fujita H, Rahighi S, Akita M, Kato R, Sasaki Y, Wakatsuki S, Iwai K.
  • 雑誌名: Mol Cell Biol. 巻: 34 ページ: 1322-1335
  • DOI: doi: 10.1128/MCB.01538-13.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural basis for the recognition of Ubc13 by the Shigella flexneri effector OspI. (2013)
  • 著者名/発表者名: Nishide A, Kim M, Takagi K, Himeno A, Sanada T, Sasakawa C, Mizushima T.
  • 雑誌名: Journal of Molecular Biology 巻: 425 ページ: 2623-2631
  • DOI: doi: 10.1016/j.jmb.2013.02.037.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phosphorylation of p62 activates the Keap1-Nrf2 pathway during selective autophagy. (2013)
  • 著者名/発表者名: Ichimura, Y., Waguri, S., Sou, Y., Kageyama, S., Hasegawa, J., Ishimura, R., Saito, T., Yang, Y., Kouno, T., Fukutomi, T., Hoshii, T., Hirao, A., Takagi, K., Mizushima, T., Motohashi, H., Lee, M., Yoshimori, T., Tanaka, K., Yamamoto, M., Komatsu, M.
  • 雑誌名: Mol Cell 巻: 51 ページ: 618-631
  • DOI: doi: 10.1016/j.molcel.2013.08.003.
  • 査読あり
• [学会発表] Structural basis for sugar-recognizing mechanism of ubiquitin ligase SCFFbs1 (2014)
  • 著者名/発表者名: Nishio K., Yoshida Y., Tanaka K., Mizushima T.
  • 学会等名: 1st International Picobiology Institute Symposium Picometer- to Micrometer-Level Structural Analyses for Studies on Functional Mechanisms of Proteins
  • 発表場所: RIKEN HARIMA (兵庫県佐用郡)
  • 年月日: 20140107-20140108
• [学会発表] ユビキチンリガーゼSCFFbs1の糖鎖認識機構の構造基盤 (2013)
  • 著者名/発表者名: 西尾和也、吉田雪子、田中啓二、水島恒裕
  • 学会等名: 日本結晶学会年会
  • 発表場所: 熊本大学(熊本県熊本市)
  • 年月日: 20131012-20131013
• [学会発表] Structural basis for the recognition of Ubc13 by the Shigella flexneri effector OspI (2013)
  • 著者名/発表者名: Nishide A., Kim M., Takagi K., Himeno A., Sanada T., Sasakawa C., Mizushima T.
  • 学会等名: The 35th Naito Conference
  • 発表場所: シャトレーゼガトーキングダム（北海道札幌市)
  • 年月日: 20130709-20130713
• [学会発表] OspI-Ubc13複合体構造解析による赤痢菌エフェクタータンパク質のE2酵素認識機構 (2013)
  • 著者名/発表者名: 西出旭、Minsoo Kim、高木賢治、真田貴人、笹川千尋、水島恒裕
  • 学会等名: 第13回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: とりぎん文化会館(鳥取県鳥取市)
  • 年月日: 20130612-20130614