多核固体NMRによる光受容膜タンパク質のイオン結合・輸送機構の解明

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H02387
• 研究機関: 横浜国立大学
• 研究代表者: 川村 出 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (20452047)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 固体NMR / レチナール / 膜タンパク質 / ロドプシン / 多核NMR

研究実績の概要

レチナールを発色団としてもつ7回膜貫通型ロドプシンは、近年、ユニークなタイプが続々と発見されている。特に光駆動型ナトリウムイオンポンプ型や硫酸イオン輸送型ロドプシンなどがあげられ、光を利用した機能は多様化している。細胞膜中での微生物型ロドプシンの構造-機能相関を理解するために、イオン結合状態の詳細を調べることが重要であり、イオンのNMR信号の直接観測やタンパク質のNMR信号の解析技術が重要である。
本研究では従来、生体系固体NMRの分野で使用されてきた水素1H、炭素13Cや窒素15Nの観測核に加えて 、観測核としてナトリウム23Naや硫黄33Sを組み合わせた新しい固体NMR測定法の開発とイオン輸送型ロドプシンへの適用を行う。具体的にはイオンの直接的なプローブとして23Naまたは33Sの観測核を用い、ナト リウムイオン(23Na+), 硫酸イオン(33SO42-)やリン酸イオン(PO43-)の信号を1H, 13C, 15N NMR信号と相関させることでタンパク質に結びつける。本年度は、光駆動型ナトリウムイオンポンプロドプシンの別なアルカリ金属イオン種に対するタンパク質のNMR信号変化を観測した(日本生物物理学会年会, BCEIA2019などで発表)。本年度においても多次元固体NMRによるイオン輸送型ロドプシンの細胞膜中での構造解析をさらに推進し、輸送するイオン種に対応したタンパク質のNMR信号変化を観測した。また、ヘリオロドプシンなどの新奇ロドプシンに関する固体NMR構造解析にも着手し、レチナール発色団やプロトン化シッフ塩基に関する特徴的な13Cと15N NMR信号を観測した。

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

光駆動型ナトリウムイオンポンプロドプシンの別なアルカリ金属イオン種に対するタンパク質のNMR信号変化を観測することに成功し、Na+イオンと別なイオン種によって、タンパク質の立体構造変化を明らかにしたため、研究進捗状況は順調である。また、本研究に関する成果を2報の著書として発表した。

今後の研究の推進方策

2020年度は多核固体NMR解析により、細胞膜中でのロドプシンと結合イオン種の間の相互作用の関係を明らかにする研究を進め、　原著論文として報告する予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Structural characterization of cellulose nanofibers isolated from spent coffee grounds and their composite films with poly(vinyl alcohol): a new non-wood source (2020)
  • 著者名/発表者名: Noriko Kanai, Takumi Honda, Naoki Yoshihara, Toshiyuki Oyama, Akira Naito, Kazuyoshi Ueda, Izuru Kawamura*
  • 雑誌名: Cellulose 巻: 27 ページ: 5017-5028
  • DOI: https://doi.org/10.1007/s10570-020-03113-w
  • 査読あり
• [雑誌論文] Separation of D-amino acid-containing peptide phenylseptin using 3,3′-phenyl-1,1′-binaphthyl-18-crown-6-ether columns (2020)
  • 著者名/発表者名: Izuru Kawamura*, Batsaikhan Mijiddorj, Yohei Kayano, Yuta Matsuo, Yumi Ozawa, Kazuyoshi Ueda, Hisako Sato
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics 巻: 1868 ページ: 140429
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbapap.2020.140429
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 31P and 13C solid-state NMR analysis of morphological changes of phospholipid bilayers containing glucagon during fibril formation of glucagon under neutral condition (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazumi Haya, Yoshiteru Makino, Akie Kikuchi-Kinoshita, Izuru Kawamura, Akira Naito*
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes 巻: 1862 ページ: 183290
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2020.183290
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rheological and Ionic Transport Properties of Nanocomposite Electrolytes Based on Protic Ionic Liquids and Silica Nanoparticles (2020)
  • 著者名/発表者名: Mayeesha Marium, Mahfuzul Hoque, Muhammed Shah Miran, Morgan L. Thomas, Izuru Kawamura, Kazuhide Ueno, Kaoru Dokko, Masayoshi Watanabe*
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 36 ページ: 148-158
  • DOI: doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b02848
  • 査読あり / 国際共著
• [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, Takashi Nakanishi*
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 ページ: 4240
  • 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] Interaction of Clear Flavor Emulsions Containing Lemon Essential Oils with Lipid Bilayers via a Quartz Crystal Microbalance (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakai Takahiro、Seki Hayato、Yoshida Shogo、Hori Hayato、Suzuki Hisashi、Nakamura Tetsuya、Kawamura Izuru
  • 雑誌名: Food Science and Technology Research 巻: 25 ページ: 879-884
  • DOI: https://doi.org/10.3136/fstr.25.879
  • 査読あり
• [雑誌論文] A comparative study of interactions of antimicrobial peptides L- and D-phenylseptin with 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (2019)
  • 著者名/発表者名: Batsaikhan Mijiddorj, Yuta Matsuo, Hisako Sato, Kazuyoshi Ueda, Izuru Kawamura*
  • 雑誌名: Applied Science 巻: 9 ページ: 2601
  • DOI: https://doi.org/10.3390/app9132601
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Application of solid-state vibrational circular dichroism for intercalation compounds of layered double hydroxide and amino acids: conformation of an intercalated phenylalanine anion (2019)
  • 著者名/発表者名: Hisako Sato, Kazuyoshi Takimoto, Izuru Kawamura, Sumio Aisawa
  • 雑誌名: Bull. Chem. Soc. J. 巻: 92 ページ: 1779-1782
  • DOI: https://doi.org/10.1246/bcsj.20190161
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solid-state vibrational circular dichroism studies of L- and D-serine (2019)
  • 著者名/発表者名: Izuru Kawamura, Hisako Sato
  • 雑誌名: Analytical Biochemistry 巻: 580 ページ: 14-20
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.ab.2019.05.016
  • 査読あり
• [雑誌論文] 両生類由来抗菌ペプチドのD-アミノ酸の機能 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川村 出、Mijiddorj Batsaikhan、大山 暁史、佐藤 久子
  • 雑誌名: 生化学 巻: 91 ページ: 316-321
  • DOI: doi:10.14952/SEIKAGAKU.2019.910316
  • 査読あり
• [学会発表] Solid-state NMR studies of seven-transmembrane ion-pumping rhodopsin and self-assembled peptide (2019)
  • 著者名/発表者名: Izuru Kawamura
  • 学会等名: BCEIA2019 (Beijing, China)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 固体NMRを用いた膜タンパク質ロドプシンの細胞膜中における構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川村 出
  • 学会等名: ISSP WS レチナールタンパク質国際会議ワークショップ, 東京大学 物性研
  • 招待講演
• [学会発表] 固体NMRによる微生物型ロドプシンの立体構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川村 出
  • 学会等名: 北海道大学 大学院生命科学研究院
  • 招待講演
• [学会発表] Solid-state NMR study of seven-transmembrane microbial rhodopsins (2019)
  • 著者名/発表者名: Izuru Kawamura
  • 学会等名: The 1st Asian-European International Exchange Symposium in Solid State NMR, RIKEN Yokohama
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 脂質膜中にナノポアを構築するβシートペプチドのDe novo配列設計 (2019)
  • 著者名/発表者名: 清水 啓佑, 坂下 峻吾, 浜田 芳男, 臼井 健二, Mijiddorj Batsaikhan, 川村 出, 川野 竜司
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会, 宮崎
• [学会発表] カチオン性抗菌ペプチドHymenochirin-1Paおよび変異体D9Kの細菌膜結合構造と膜選択性の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大山 暁史, Batsaikhan Mijiddorj, 上田 一義, 内藤 晶, 川村 出
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会, 宮崎
• [学会発表] 固体NMRによるKR2のレチナール結合ポケットとNa+結合サイト間の水素結合ネットワークの構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 金子 莉奈, 重田 安里寿, 長島 敏雄, 山崎 俊夫, 井上 圭一, 神取 秀樹, 川村 出
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会, 宮崎
• [学会発表] 多次元固体NMRによる細胞膜中のヘリオロドプシンの構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 しぶき, 長島 敏雄, 金子 莉奈, 沖津 貴志, 和田 昭盛, 小林 直宏, 山崎 俊夫, 吉住 玲, 井上 圭一, 神取 秀樹, 川村 出
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会, 宮崎
• [学会発表] A comparative study of membrane-bound structure of antimicrobial peptides L- and D-phenylseptin (2019)
  • 著者名/発表者名: Izuru Kawamura, Batsaikhan Mijiddorj, Hisako Sato, Yuta Matsuo, Akira Naito, Kazuyoshi Ueda
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会, 宮崎
• [学会発表] 多次元固体NMRによるヘリオロドプシンの構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 しぶき, 長島 敏雄, 金子 莉奈, 沖津 貴志, 和田 昭盛, 小林 直宏, 山崎 俊夫, 吉住 玲, 井上 圭一, 神取 秀樹, 川村 出
  • 学会等名: 第58回NMR討論会, 川崎
• [学会発表] 多次元固体MAS NMRによる光駆動型Na+ポンプロドプシンKR2の構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 金子 莉奈, 重田 安里寿, 長島 敏雄, 山崎 俊夫, 井上 圭一, 神取 秀樹, 川村 出
  • 学会等名: 第58回NMR討論会, 川崎
• [図書] 膜タンパク質工学ハンドブック 第1編第2章第10節を担当 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川村 出
  • 総ページ数: 537
  • 出版者: NTS出版
  • ISBN: 978-4-86043-537-0
• [図書] NMR Methods for Characterization of Synthetic and Natural Polymers / Chap. 19の執筆を担当 (2019)
  • 著者名/発表者名: Arisu Shigeta, Izuru Kawamura*
  • 総ページ数: 565
  • 出版者: Royal Society of Chemistry
  • ISBN: 978-1-78801-400-7