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2019 年度 実績報告書

統合的多階層アプローチによるシアノバクテリア生物時計システムの新展開

研究課題

研究課題/領域番号 17H06165
研究機関分子科学研究所

研究代表者

秋山 修志  分子科学研究所, 協奏分子システム研究センター, 教授 (50391842)

研究分担者 近藤 孝男  名古屋大学, 理学研究科, 名誉教授 (10124223)
上久保 裕生  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (20311128)
藤原 悟  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 東海量子ビーム応用研究センター, 上席研究員(定常) (10354888)
古池 美彦  分子科学研究所, 協奏分子システム研究センター, 助教 (70757400)
研究期間 (年度) 2017-05-31 – 2022-03-31
キーワードシアノバクテリア
研究実績の概要

【①周期変異体、温度補償変異体のスクリーニング】ATPaseを指標としたin vitroスクリーニング系を独自開発し(Ouyang et al. Int. J. Mol. Sci. 2019)、従来比10倍以上のスループットで200変異体を解析して、75種のATPase変異体、62種のATPase温度補償変異体を取得した。並行してin vivoスクリーニングを実施し、これまでに300種のKaiC周期変異体、7種のKaiC温度補償変異体を同定した(Miwa et al, 論文投稿中)。両スクリーニング系からの結果を比較検討後にマージして、研究項目②~④に供した。
【②固有振動数の分子内・進化系統樹上マッピング】KaiCホモログの発現精製過程を最適化する際の基本戦略を策定し(Mukaiyama et al. Int. J. Biol. Macromol. 2019)、同戦略に沿って試料調製を進めた。進化系統樹上に露わとなったωの分布図は、KaiCを核とした計時システムの進化過程を反映するものであった。
【③固有振動数を規定するATPase/リン酸化構造基盤の解明】既報構造中で最高の空間分解能を誇るKaiC新規構造を解明した。理論化学計算を援用することで、ATP反応過程におけるプロトン還流経路やATPase/リン酸化共役機構を可視化した。
【④温度補償制御の解明】スクリーニング結果をKaiC分子内にマッピングし、温度依存性を示す変異群のクラスタを同定した。中性子準弾性散乱を実施し、温度補償制御と揺らぎの間に因果関係を見出した。
【⑤液中における動的構造解析】Kaiタンパク質に特化したマイクロ流路型・連続滴定測定系を構築した。KaiCに対してKaiA/KaiBの連続滴定X線溶液散乱測定を行ったところ、6量体内の不均一性に由来する非凡かつ多様な結合モードが解明された(論文投稿中)。

現在までの達成度 (区分)
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

研究項目①に関しては、iv vitroスクリーニング基盤を独自開発して論文化し(Ouyang et al. 2019)、in vivoスクリーニング系との併用により数多くの変異体を同定した。多数の変異体が代表者や分担者の機能構造解析に供されており、他4項目の推進に多大な貢献を果たしている。超短周期から超長周期にわたるリズムを表出せしめる同一サイト点変異群については実験が完了しており、現在、論文投稿中である。
研究項目②と③については、当初の目標を上回る新発見があっただけでなく、更に深い奥行きと広がりを感じさせるものであった。各研究項目に対応する計2本を権威ある国際学術誌に投稿するための準備を進めている。
研究項目④に関しては、当初の計画に沿って温度補償変異体の結晶構造解析を実施し、その観察に着想を得て中性子準弾性散乱を実施した。研究の遂行に伴って見通しに変化が生じたものの、適切に対策を講じることで、計画自体に支障をきたすことなく研究は進捗している。他の温度補償変異体を用いた実験を実施し、観察の普遍性が確認され次第論文化する。
研究項目⑤に関しては、KaiC6量体内の不均一性に由来する非凡かつ多様なKaiA/KaiB結合モードを解明した(論文投稿中)。それ以外にも、KaiBC複合体の形成がKaiCの遅いATPaseにより律速されることを発見して論文化した(Mukaiyama et al. 2018)。KaiCはこの仕組みを活用して、ωに織り込まれた遅い時定数を他の分子種、延いては計時システム全体に波及させていることを解明した(Mukaiyama et al. 2019)。
各研究項目の進捗状況は良好であり、その一部では、当初の目標を上回る成果も得られているが、現時点で論文化されていない案件が含まれることを総合的に勘案し、「おおむね順調に進展している」として自己評価した。

今後の研究の推進方策

引き続き前述の5項目について研究を継続する。②進化系統樹上におけるωの分布図、および③ATPase/リン酸化構造基盤を解明したので、それらを論文発表する。④温度補償制御の解明については、他の温度補償変異体を用いた実験を早急に実施し、観察の普遍性を確認して論文化する。KaiCの①変異体スクリーニングと⑤液中動的構造解析は順調に進捗しているので、今のペースと質を堅持して研究を進める。

  • 研究成果

    (44件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (11件) (うち査読あり 9件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (32件) (うち国際学会 7件、 招待講演 15件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Oxidative misfolding of Cu/Zn-superoxide dismutase triggered by non-canonical intramolecular disulfide formation2020

    • 著者名/発表者名
      Anzai I, Tokuda E, Handa S, Misawa H, Akiyama S, Furukawa Y
    • 雑誌名

      Free Radical Biology and Medicine

      巻: 147 ページ: 187-199

    • DOI

      10.1016/j.freeradbiomed.2019.12.017

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Current status and near future plan of neutron protein crystallography at J-PARC2020

    • 著者名/発表者名
      Tanaka I, Chatake T, Fujiwara S, Hosoya T, Kusaka K, Niimura N, Yamada T, Yano N
    • 雑誌名

      Methods in Enzymology

      巻: 634 ページ: 101-123

    • DOI

      10.1016/bs.mie.2020.01.002

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Treasurer’s comments on the financial position of the Biophysical Society of Japan2020

    • 著者名/発表者名
      Akiyama S , Aoki K , Kubo Y
    • 雑誌名

      Biophysical Reviews

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1007/s12551-020-00623-6

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Biophysical research in Okazaki, Japan2020

    • 著者名/発表者名
      Akiyama S , Aoki K , Kubo Y
    • 雑誌名

      Biophysical Reviews

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1007/s12551-020-00633-4

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A kinetic mechanism gating the assembly of KaiB-KaiC complex in the cyanobacterial circadian clock system2019

    • 著者名/発表者名
      Mukaiyama A, Furuike Y, Akiyama S
    • 雑誌名

      Biological Rhythms

      巻: - ページ: 29-34

  • [雑誌論文] Dynamic assembly of protein disulfide isomerase in catalysis of oxidative folding2019

    • 著者名/発表者名
      Okumura M, Noi K, Kanemura S, Kinoshita M, Saio T, Inoue Y, Hikima T, Akiyama S, Ogura T, Inaba K
    • 雑誌名

      Nature Chemical Biology

      巻: 15 ページ: 499-509

    • DOI

      10.1038/s41589-019-0268-8

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development and Optimization of Expression, Purification, and ATPase Assay of KaiC for Medium-Throughput Screening of Circadian Clock Mutants in Cyanobacteria2019

    • 著者名/発表者名
      Ouyang D, Furuike Y, Mukaiyama A, Ito-Miwa K, Kondo T, Akiyama S
    • 雑誌名

      International Journal of Molecular Sciences

      巻: 20 ページ: 2789-2800

    • DOI

      10.3390/ijms20112789

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 発光によるシアノバクテリアのコロニースクリーニング~高精度な概日リズムデータを得るための秘訣2019

    • 著者名/発表者名
      伊藤久美子, 近藤孝男
    • 雑誌名

      発光イメージング実験ガイド

      巻: - ページ: 168-176

  • [雑誌論文] How can we derive hydration water dynamics with incoherent neutron scattering and molecular dynamics simulation?2019

    • 著者名/発表者名
      Nakagawa H, Kataoka M
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 16 ページ: 213-219

    • DOI

      10.2142/biophysico.16.0_213

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Mechanism of the light-driven proton pump of bacteriorhodopsin based on the consistency principle2019

    • 著者名/発表者名
      Kataoka M, Kamikubo H, Shibata K
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 16 ページ: 274-279

    • DOI

      10.2142/biophysico.16.0_274

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Segmental motions of proteins under non-native states evaluated using quasielastic neutron scattering2019

    • 著者名/発表者名
      Fujiwara S, Matsuo T, Sugimoto Y, Shibata K
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 10 ページ: 7505-7509

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.9b03196

    • 査読あり
  • [学会発表] Keynote Lecture: Cyanobacterial circadian clock system through the chemistry of rhythm, structure, and evolutionary diversity2020

    • 著者名/発表者名
      Akiyama S
    • 学会等名
      ELSI 8th International Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Keynote Lecture: Cyanobacterial circadian clock system through the chemistry of rhythm, structure, and evolutionary diversity2019

    • 著者名/発表者名
      Akiyama S
    • 学会等名
      V World Congress of Chronobiology
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Structural Relationships between ATP-hydrolysis and Phosphorylation Domains in Cyanobacterial Clock Protein KaiC2019

    • 著者名/発表者名
      Furuike Y, Mukaiyama A, Yamashita E, Kondo T, Akiyama S
    • 学会等名
      V World Congress of Chronobiology
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a medium-throughput in vitro screening system for circadian clock mutants of KaiC in cyanobacteria2019

    • 著者名/発表者名
      Ouyang D, Mukaiyama A, Furuike Y, Miwa K, Kondo T, Akiyama S
    • 学会等名
      V World Congress of Chronobiology
    • 国際学会
  • [学会発表] 機能解析から探るKaiタンパク質時計システムの進化的多様性2019

    • 著者名/発表者名
      向山 厚
    • 学会等名
      Cyanoclock2.0
    • 招待講演
  • [学会発表] Cumulative Effect of Double Mutation on Cyanobacterial Clock Protein KaiC2019

    • 著者名/発表者名
      Marie V, Furuike Y, Akiyama S
    • 学会等名
      Cyanoclock2.0
  • [学会発表] A screening through alanine scanning-mutagenesis to search structural units determining the function of cyanobacterial clock protein KaiC2019

    • 著者名/発表者名
      Ouyang D, Furuike Y, Mukaiyama A, Miwa K, Kondo T, Akiyama S
    • 学会等名
      Cyanoclock2.0
  • [学会発表] 多種KaiCの機能解析によるシアノバクテリア生物時計の進化的多様性の考察2019

    • 著者名/発表者名
      向山 厚、欧陽 東彦、古池 美彦、秋山 修志
    • 学会等名
      第19回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] 機械時計から体内時計と睡眠を考える2019

    • 著者名/発表者名
      近藤 孝男
    • 学会等名
      日本睡眠学会第44回定期学術集会市民公開講座
    • 招待講演
  • [学会発表] Coordinated analysis of protein hydration water by neutron crystallography, small-angle scattering, and quasielastic neutron scattering2019

    • 著者名/発表者名
      Fujiwara S
    • 学会等名
      The 13th mini-symposium on liquid
    • 招待講演
  • [学会発表] ATPase-based in vitro Screening for KaiC Clock Mutants in Cyanobacteria2019

    • 著者名/発表者名
      Akiyama S
    • 学会等名
      XVI Congress of the European Biological Rhythms Society
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Seeking for evolutionary diversity of Kai-protein clock system in cyanobacteria2019

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Mukaiyama, Dongyan Ouyang, Yoshihiko Furuike and Shuji Akiyama
    • 学会等名
      XVI Congress of the European Biological Rhythms Society
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Keynote Lecture: Cyanobacterial circadian clock system through the chemistry of rhythm, structure, and evolutionary diversity2019

    • 著者名/発表者名
      Akiyama S
    • 学会等名
      PF Workshop
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 地球の自転周期がエンコードされたタンパク質、KaiC2019

    • 著者名/発表者名
      秋山 修志
    • 学会等名
      第13回分子科学討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] Biochemistry and Structure of Circadian Clock Protein, KaiC2019

    • 著者名/発表者名
      秋山 修志
    • 学会等名
      第92回日本生化学会大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Evolutionary diversity of Kai-protein clock in cyanobacteria2019

    • 著者名/発表者名
      Mukaiyama A, Ouyang D, Furuike Y, Akiyama S
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Structural Diversity of KaiC Hexamer in Cyanobacterial Circadian Clock2019

    • 著者名/発表者名
      Furuike Y, Mukaiyama A, Yamashita E, Kondo T, Akiyama S
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] In vitro ATPase-based screening of circadian clock mutants of KaiC in cyanobacterial circadian clock system2019

    • 著者名/発表者名
      Ouyang D, Furuike Y, Mukaiyama A, Miwa K, Kondo T, Akiyama S
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Artificial reconstitution of the multi-hierarchical structure in spider silk from fibroin proteins2019

    • 著者名/発表者名
      H.Kamikubo, T.Sato
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Functional role of a residue K72 of Rc-PYP in light dependent oligomeric complex formation process2019

    • 著者名/発表者名
      Y.Yamazaki, N.Oka, Y.Hayashi, H.Kamikubo
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Titration analysis of KaiA for KaiC using continuous titration small angle X-ray scattering2019

    • 著者名/発表者名
      R.Aoyama, Y.Yamazaki, K.Yonezawa, A.Mukaiyama, Y.Hayashi, S.Toma-Fukai, N.Shimizu, S.Akiyama, H.Kamikubo
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Molecular evolution of the structure elements in the TIM barrel family proteins2019

    • 著者名/発表者名
      Y.Takase, Y.Hayashi, Y.Yamazaki, S.Toma-Fukai, H.Kamikubo
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Mechanism of the spontaneous elongation of the fibroin nanofiber involved in spider silk2019

    • 著者名/発表者名
      T.Sawai, K.Hayashi, Y.Hayashi, T.Sato, Y.Yamazaki, S.Toma-Fukai, H.Kamikubo
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Reconstitution of artificial materials of spider silk accompanied by native-like hierarchical structure2019

    • 著者名/発表者名
      S.Onishi, Y.Nakatani, Y.Hayashi, T.Sato, Y.Yamazaki, S.Toma-Fukai, H.Kamikubo
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Analysis of the complex molecular system composed of GGA, MPR and Ub by using titration SAXS measurement2019

    • 著者名/発表者名
      Y.Hayashi, N.Endo, Y.Yamazaki, S.F.Toma, H.Kamikubo
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Structural analysis of human α-synuclein within amyloid fibrils by small-angle scattering2019

    • 著者名/発表者名
      S.Fujiwara, T.Matsuo, Y.Sugimoto
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] 他種KaiCの機能解析から探るシアノバクテリア生物時計システムの進化的多様性2019

    • 著者名/発表者名
      向山 厚、秋山 修志
    • 学会等名
      第26回日本時間生物学会学術大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Capability of the ATPase-based Screening System to Search Structural Units Determining the Function of Cyanobacterial Clock Protein KaiC2019

    • 著者名/発表者名
      Ouyang D, Furuike Y, Mukaiyama A, Miwa K, Kondo T, Akiyama S
    • 学会等名
      第26回日本時間生物学会学術大会
  • [学会発表] Size of the amino-acid at the specific position in KaiC determines the circadian period in cyanobacteria2019

    • 著者名/発表者名
      Ito K, Kondo T
    • 学会等名
      第26回日本時間生物学会学術大会
  • [学会発表] 概日時計の基本デザイン2019

    • 著者名/発表者名
      近藤 孝男
    • 学会等名
      薬理学特別講義(東京大学医学部)
    • 招待講演
  • [学会発表] 時計タンパク質KaiCのリン酸化ドメインにおける水分子の同定2019

    • 著者名/発表者名
      古池 美彦、向山 厚、山下 栄樹、近藤 孝男、秋山 修志
    • 学会等名
      日本結晶学会2019年度年会
    • 招待講演
  • [学会発表] 構造タンパク質フィブロインのタンパク質から材料への質的変化2019

    • 著者名/発表者名
      上久保 裕生
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会年会
    • 招待講演
  • [備考] 生命のリズムを化学する

    • URL

      https://groups.ims.ac.jp/organization/akiyama_g/

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公開日: 2021-01-27  

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