複数の機能単位を連動させる分子機能の科学

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01184
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 水谷 泰久 大阪大学, 理学研究科, 教授 (60270469)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: アロステリー / ラマン分光法 / タンパク質ダイナミクス

研究実績の概要

タンパク質の機能は、分子内に含まれる複数の機能部位が互いに連動的に働くことによって生み出される。例えば、ガスセンサータンパク質では、ガス分子がタンパク質に結合すると、結合部位に構造変化が生じ、その変化が触媒部位の構造を変化させ酵素活性の制御がなされる。このような複数の機能部位が連動している性質はアロステリーとよばれるもので、そこではタンパク質の構造変化が本質的に重要な役割を果たす。
酸素依存的なリン酸化酵素FixLについて、酸素分子の感知に重要な構造変化を明らかにした。ヘムに結合した酸素分子の脱離に伴うタンパク質の構造ダイナミクスを調べ、二つのドメインが互いに連動することによって構造変化を効率的に伝えていることを見いだした。構造モチーフをもつ酸化還元センサータンパク質および光センサータンパク質とでドメイン交換した人工タンパク質を新たに作製して調べ、ドメイン間の連動性がセンサードメインを有するキナーゼタンパク質一般に共通して見られる性質であることを実証した。
光駆動イオン輸送タンパク質について、光受容に伴うイオン輸送に重要な構造変化を明らかにした。これらのタンパク質において、発色団は光受容部位であると同時に、輸送イオンと直接相互作用しイオン移動を駆動する部位である。本研究では、発色団と輸送イオンとの相互作用を、プロトン、塩化物イオン、ナトリウムイオンの3種の輸送タンパク質について比較した結果、発色団の構造変化により生じる電荷密度の変化がイオン移動を生み出すという共通原理があることがわかった。また、発色団とヘリックスの構造変化の連動性を観測し、3種の輸送タンパク質に共通する、発色団がヘリックスの動きを誘起するカップリング機構を明らかにした。
これらの成果は、機能は異なっていても、共通構造をもつタンパク質の連動性に共通した機構があることを示すものである。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Allosteric Communication with the Retinal Chromophore upon Ion Binding in a Light-Driven Sodium Ion-Pumping Rhodopsin (2020)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Otomo, Misao Mizuno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, and Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 59 ページ: 520-529
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acs.biochem.9b01062
  • 査読あり
• [雑誌論文] Distortion and a Strong Hydrogen Bond in the Retinal Chromophore Enable Sodium Ion Transport by the Sodium Ion Pump KR2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Nao Nishimura, Misao Mizuno, Hideki Kandori, and Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 123 ページ: 3430-3440
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.9b00928
  • 査読あり
• [雑誌論文] Soft-chromophore featured liquid porphyrins and their utilization toward liquid-electret applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Avijit Ghosh, Manabu Yoshida, Koji Suemori, Hiroaki Isago, Nagao Kobayashi, Yasuhisa Mizutani, Yuki Kurashige, Izuru Kawamura, Masami Nirei, Osamu Yamamuro, Tomohisa Takaya, Koichi Iwata, Akinori Saeki, Kazuhiko Nagura, Shinsuke Ishihara, and Takashi Nakanishi
  • 雑誌名: Nature Commun. 巻: 10 ページ: 4210
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-12249-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of a bound anion on the structure and dynamics of halorhodopsin from Natronomonas pharaonis (2019)
  • 著者名/発表者名: Misao Mizuno, Yumi Shimoo, Hideki Kandori, and Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: Structural Dynamics 巻: 6 ページ: 054703
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5125621
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 新規光駆動内向きプロトン輸送タンパク質SzRのレチナール発色団構造の特徴 (2020)
  • 著者名/発表者名: 塩谷 智巳、Manish Singh、水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] 新規光受容タンパク質ヘリオロドプシンが持つ長寿命光反応中間体の発色団構造の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 潤井泰斗、大友 章裕・水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] ナトリウムイオン輸送タンパク質KR2の発色団が持つ水素結合様式の特異性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 篠崎 友香、大友 章裕、水野 操、吉住 玲、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] Atomic contacts drive ultrafast helix motions in myoglobin (2020)
  • 著者名/発表者名: Shinya Tahara
  • 学会等名: 11th Asian Conference on Ultrafast Phenomena
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 時間分解紫外共鳴ラマン分光法によるタンパク質ダイナミクス観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 水野操
  • 学会等名: 日本分光学会紫外フロンティア講演会「紫外フロンティア分光研究の最前線」、名古屋大学 東山キャンパス、令和2年1月6日
  • 招待講演
• [学会発表] 新型光受容タンパク質Heliorhodopsinの発色団構造 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大友 章裕、水野 操、Manish Singh、志甫谷 渉、井上 圭一、濡木 理、Oded Beja、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会
• [学会発表] 新奇光受容タンパク質ヘリオロドプシンの超高速ダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 田原 進也、Manish Singh、 倉持 光、志甫谷 渉、井上 圭一、濡木 理、Oded Beja、水谷 泰久、神取 秀樹、田原 太平
  • 学会等名: 2019年度日本分光学会年次講演会
• [学会発表] Atomic Contacts Drive Structural Changes of Myoglobin (2019)
  • 著者名/発表者名: Shinya Tahara, Misao Mizuno, and Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: Nineteenth International Conference on Time-Resolved Vibrational Spectroscopy
  • 国際学会
• [学会発表] Time-resolved UV resonance Raman observation of protein dynamics of a light-driven sodium ion-pumping rhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: Akihito Otomo, Misao Mizuno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, and Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: Nineteenth International Conference on Time-Resolved Vibrational Spectroscopy
  • 国際学会
• [学会発表] ハロロドプシンのタンパク質ダイナミクスにおけるアニオン依存性の要因 (2019)
  • 著者名/発表者名: 水野 操、下尾 祐未、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
• [学会発表] ミオグロビンの構造変化を駆動する原子間接触 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田原 進也、水野 操、水谷 泰久
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
• [学会発表] 時間分解紫外共鳴ラマン分光法によるKR2の構造ダイナミクスの観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大友 章裕、水野 操、井上 圭一、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
• [学会発表] 時間分解共鳴ラマン分光法でタンパク質の化学反応を観る (2019)
  • 著者名/発表者名: 水野操
  • 学会等名: 2019年度日本分光学会年次講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Allosteric dynamics of the oxygen sensor protein FixL (2019)
  • 著者名/発表者名: Haruto Ishikawa
  • 学会等名: 6th Awaji International Workshop on “Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Primary Protein Responses to Chromophore Photoreaction in Photoreceptive Proteins (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: The 5th International Conference on Ultrafast Structural Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Protein Dynamics of a Light-Driven Sodium Ion-Pumping Rhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: Telluride Science Research Center Workshop on Protein Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 時間分解振動分光法とロドプシン研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 水谷泰久
  • 学会等名: ISSPワークショップ「レチナールタンパク質の光機能発現の物理と化学」
  • 招待講演
• [学会発表] Structure and Dynamics of the Retinal Chromophore of Microbial Ion Pumps: A Time-Resolved Resonance Raman Study (2019)
  • 著者名/発表者名: Misao Mizuno
  • 学会等名: Indo-Japan workshop "Frontiers in Molecular Spectroscopy: From Fundamentals to Applications in Chemistry and Biology"
  • 招待講演
• [備考] 大阪大学 大学院理学研究科 化学専攻 生物物理化学研究室
  • URL: http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/mizutani/index-jp.html