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2021 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 藤原 悟  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 専門業務員 (10354888)
上久保 裕生  奈良先端科学技術大学院大学, デジタルグリーンイノベーションセンター, 教授 (20311128)
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
キーワード概日時計 / 温度補償性 / KaiC / ATPase / リン酸化 / アロステリー / リズム / シアノバクテリア
研究実績の概要

シアノバクテリア概日時計システムの中核となるKaiCを統合的多階層アプローチにより解析し、概日時計を特徴づける3つの生理学的性質(概日周期での自律的発振、周期の温度補償性、同調能)の構造基盤を原子レベルで解明した。
我々は、C2ドメインに位置するS431とT432のリン酸化修飾サイクルを網羅する4状態のKaiCを結晶化し、S431のリン酸化/脱リン酸化に伴うヘリックス・コイル転移(Phospho Switch, 以下PSw)を特定した。さらに、PSwの構造転移が、C1-ATPaseのATP/ADPヌクレオチド交換と密に共役していることも突き止めた。これらの発見によって、周期を規定するC1-ATPaseサイクルとC2-リン酸化サイクルの共役基盤が解明された。また、KaiCの振動性に必須となる最小単位のアロステリーを特定した。具体的には、T432のリン酸化を完全に阻害しても、「S431のリン酸化/脱リン酸化によるPSwの構造転移」と「C1-ATPase」が共役している限り、温度補償された概日リズムがin vitro再構成系(KaiA + KaiB + KaiC)および細胞系で維持されることを実証した。これらの構造基盤をもとに、KaiC単体の物理化学的特性がin vitro再構成系や細胞系にまで伝播するクロス・スケール性を徹底究明した。
シアノバクテリアを対象とした本成果は、概日リズムの基本原理を原点に立ち返って議論する機会を提供するとともに、より長周期の概月~概年リズムの設計原理に指針を与えるものである。KaiCの温度補償されたATPaseがKaiC分子内外で自律制御されることで、「概日時計の生理学的3性質」が特定の位相で顕在化することを証明した成果は、今後、哺乳類の時計タンパク質を含めた統一的理解に大きく貢献するものである。

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。

  • 研究成果

    (23件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 1件、 招待講演 5件) 備考 (3件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [雑誌論文] Regulation Mechanisms of the Dual ATPase in KaiC2022

    • 著者名/発表者名
      Furuike Yoshihiko、Mukaiyama Atsushi、Koda Shin-ichi、Simon Damien、Ouyang Dongyan、Ito-Miwa Kumiko、Saito Saito、Yamashita Eiki、Nishiwaki-Ohkawa Taeko、Terauchi Kazuki、Kondo Takao、Akiyama Shuji
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 119 ページ: e2119627119

    • DOI

      10.1073/pnas.2119627119

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Elucidation of Master Allostery Essential for Circadian Clock Oscillation in Cyanobacteria2022

    • 著者名/発表者名
      Furuike Yoshihiko、Mukaiyama Atsushi、Ouyang Dongyan、Ito-Miwa Kumiko、Simon Damien、Yamashita Eiki、Kondo Takao、Akiyama Shuji
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 8 ページ: eabm8990

    • DOI

      10.1126/sciadv.abm8990

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cross-scale Analysis of Temperature Compensation in the Cyanobacterial Circadian Clock System2022

    • 著者名/発表者名
      Furuike Yoshihiko、Ouyang Dongyan、Tominaga Taiki、Matsuo Tatsuhito、Mukaiyama Atsushi、Kawakita Yukinobu、Fujiwara Satoru、Akiyama Shuji
    • 雑誌名

      Communications Physics

      巻: 5 ページ: 75

    • DOI

      10.1038/s42005-022-00852-z

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Slow and temperature-compensated autonomous disassembly of KaiB-KaiC complex2022

    • 著者名/発表者名
      Simon Damien、Mukaiyama Atsushi、Furuike Yoshihiko、Akiyama Shuji
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 19 ページ: e190008

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v19.0008

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Adenylate kinase 1 overexpression increases locomotor activity in medaka fish2022

    • 著者名/発表者名
      Maruyama Michiyo、Furukawa Yuko、Kinoshita Masato、Mukaiyama Atsushi、Akiyama Shuji、Yoshimura Takashi
    • 雑誌名

      PLOS ONE

      巻: 17 ページ: e0257967

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0257967

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Beyond multi-disciplinary and cross-scale analyses of the cyanobacterial circadian clock system2021

    • 著者名/発表者名
      Akiyama Shuji、Kamikubo Hironari
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 18 ページ: 267~268

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v18.031

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 原子レベルでみた時計タンパク質KaiCの概日サイクル2022

    • 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
      令和3年度生物物理学会中部支部講演会
  • [学会発表] 分子進化的アプローチに基づく概日時計の進化的起源の探究2022

    • 著者名/発表者名
      向山厚、古池美彦、秋山修志
    • 学会等名
      令和3年度生物物理学会中部支部講演会
  • [学会発表] Mechanisms behind the disassembly of KaiB-KaiC complex2022

    • 著者名/発表者名
      Damien S, Mukaiyama A, Furuike Y, Akiyama S
    • 学会等名
      令和3年度生物物理学会中部支部講演会
  • [学会発表] 時計タンパク質のアロステリーに基づく複雑なシアノバクテリア概日振動の理解2022

    • 著者名/発表者名
      古池美彦
    • 学会等名
      第五回名古屋リズム研究会
  • [学会発表] KaiC反応サイクルの複雑多様性と単純化2022

    • 著者名/発表者名
      秋山修志
    • 学会等名
      2021年度iBIX-JAXA-KEK物構研-QST合同タンパク質研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Core Allosteric Regulation in Cyanobacterial Circadian Clock Protein KaiC2021

    • 著者名/発表者名
      Furuike Y, Mukaiyama A, Ouyang D, Ito-Miwa K, Simon D, Yamashita E, Akiyama S
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Exploring ancient origin of circadian oscillation through KaiC evolution2021

    • 著者名/発表者名
      Mukaiyama A, Furuike Y, Akiyama S
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] 連続滴定小角X線散乱測定を用いたリン酸化/脱リン酸化KaiCアンサンブルに対するKaiAの滴定挙動解析2021

    • 著者名/発表者名
      上久保裕生、山﨑洋一
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Lifetime analysis of nucleotides bound to KaiC2021

    • 著者名/発表者名
      Simon D, Mukaiyama A, Furuike Y, Akiyama S
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] 放射光X線溶液散乱測定における連続濃度変調型μ流路自動サンプリングシステムの性能評価2021

    • 著者名/発表者名
      米澤健人、林有吾、山崎洋一、清水伸隆、上久保裕生
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] TIMバレルファミリーにおける構造エレメントの分子進化学的考察2021

    • 著者名/発表者名
      高瀬安迪、山崎洋一、林有吾、米澤健人、藤間祥子、上久保裕生
    • 学会等名
      第59回日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Screening and Characterization of Temperature-dependent Circadian Clock Mutants in Cyanobacteria2021

    • 著者名/発表者名
      Shuji Akiyama
    • 学会等名
      5th Asian Forum on Chronobiology
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 放射光X線溶液散乱測定における連続濃度変調型μ流路自動サンプリングシステムの性能評価2021

    • 著者名/発表者名
      米澤健人、林有吾、吉田桂人、天野真治、岡部龍二、清水伸隆、上久保裕生
    • 学会等名
      第21回日本蛋白質科学会年会
  • [備考] 秋山グループWEBページ

    • URL

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

  • [備考] 近藤グループWEBページ

    • URL

      http://clock.bio.nagoya-u.ac.jp/index.htm

  • [備考] 上久保グループWEBページ

    • URL

      http://mswebs.naist.jp/LABs/kamikubo/index.html

  • [学会・シンポジウム開催] シンポジウム「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」第59回日本生物物理学会年会2021

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公開日: 2022-12-28  

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