病原菌ヘムトランスポーターの構造変化の追跡と基質輸送機構の解明

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H02421
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 杉本 宏 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 専任研究員 (90344043)
• 研究分担者: 木村 哲就 神戸大学, 理学研究科, 准教授 (70506906)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: ヘム

研究実績の概要

生物にとって必須な金属イオンはATP加水分解のエネルギーを駆動力にして細胞内へ取り込まれている例が多い。その役目を担っているATP-binding cassette (ABC)トランスポーターは膜貫通領域（TMD）とATP加水分解ドメイン（NBD）を持ち、構造を変化させながら基質を膜輸送する。病原菌のヘムトランスポーターもABCファミリーに属するタンパク質で、宿主の赤血球中から奪ってきたヘムを菌体内へ膜輸送する役割を担っている。本課題では、ヘムトランスポーターによるヘムの輸送メカニズムを原子レベルで解明することを目的としており、クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子解析法によって複数の状態のトランスポーターの構造解析を実施した。ATPフリー状態のアポ型において新たに発見した構造上の特徴は、2つのTMDサブユニットが非対称なダイマーを形成して閉塞構造をとることであった。また、ATPアナログ結合型では2つのTMDが2回対称性の高いダイマーとなることに加えて、アポ型とは違う形式で細胞質側のゲートを閉じた閉塞状態になっていた。アポ型の構造は輸送前の状態であり、ATPアナログ結合型はヘムを受け取る前の中間的な構造であると解釈している。これらの結果は、NBDへのATP結合がTMDヘリックスの動きを制御する仕組みを初めて明らかにした成果である。さらに、ヘムをTMDに受け渡す役目を担っているペリプラズムヘム結合タンパク質（PBP）結合型の構造解析にも成功しており、ヘム輸送における構造変化メカニズムの構造生物学研究を大きく進展させた。

現在までの達成度 (段落)

令和5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5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] A redox switch allows binding of Fe(II) and Fe(III) ions in the cyanobacterial iron-binding protein FutA from Prochlorococcus (2024)
  • 著者名/発表者名: Bolton, R., Machelett, M. M., Stubbs, J., Axford, D., Caramello, N., Catapano, L., Maly, M., Rodrigues, M. J., Cordery, C., Tizzard, G. J., MacMillan, F., Engilberge, S., von Stetten, D., Tosha, T., Sugimoto, H., Worrall, J. A. R., Webb, J. S., Hough, M. A., Owen, R. L., Tews, I. et al.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 巻: 121 ページ: e2308478121
  • DOI: 10.1073/pnas.2308478121
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Dynamics of hydrogen atom revealed by ultra-high resolution structure of the heme acquisition protein (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Sugimoto
  • 学会等名: Time-Resolved Crystallography Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ABC 型ヘムトランスポーターの構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 片岡 万知華、阿部 綾萌、Chai Gopalasingam、Christoph Gerle、山本 雅貴、重松 秀樹、杉本 宏
  • 学会等名: 生命金属科学 夏の合宿セミナー
• [学会発表] クライオ電子顕微鏡を用いた病原菌ヘムトランスポーターの構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 片岡万知華、阿部綾萌、Chai Gopalasingam、Christoph Gerle、城宜嗣、山本雅貴、重松秀樹、杉本宏
  • 学会等名: 第49回生体分子科学討論会
• [学会発表] クライオ電子顕微鏡を用いた病原菌ヘムトランスポーターの構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 片岡万知華、阿部綾萌、Chai Gopalasingam、Christoph Gerle、山本雅貴、重松秀樹、杉本宏
  • 学会等名: 第2回生命金属科学シンポジウム
• [学会発表] クライオ電子顕微鏡による病原菌由来ヘムトランスポーターの構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 片岡万知華、阿部綾萌、Chai Goparsingam, Christoph Gerle、城宜嗣、山本雅貴、重松秀樹、杉本宏
  • 学会等名: 第23回日本蛋白質科学会年会