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2014 年度 実績報告書

イェロープロテインの構造と光反応: 一般性と多様性

研究課題

研究課題/領域番号 24247030
研究機関奈良先端科学技術大学院大学

研究代表者

片岡 幹雄  奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 教授 (30150254)

研究分担者 上久保 裕生  奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 准教授 (20311128)
山崎 洋一  奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 助教 (40332770)
研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2016-03-31
キーワードイェロープロテイン / 低障壁水素結合 / 光反応 / 結晶構造解析 / アルギニン / FTIR / キメラ蛋白質 / 国際情報交換(アメリカ、デンマーク)
研究実績の概要

水溶性の光受容蛋白質、イェロープロテイン(PYP)、を用いて、共通の構造基盤から機能や光反応の多様性を生み出す分子機構を明らかにすることを目的としている。光反応時間が大きく異なるhPYP、RcPYP、存在形態の異なるPprPYPについて研究を進めた。
前年度、RcPYPについて結晶構造解析に成功した。結晶化には界面活性剤が必要であるため、水溶液中でスペクトルに対する界面活性剤の影響を測定した。結晶中では、長波長シフトするが、溶液中では短波長シフトすることが明らかになった。結晶のスペクトルは、活性中間体に標的蛋白質が結合した際のスペクトルに類似しているが、溶液中ではむしろ光反応途上のスペクトルに類似している。光反応による構造変化と類似の変化を界面活性剤がもたらし、結晶化するときにさらに界面活性剤が特異的に結合すると推測している。hPYPでも同様の測定を進める予定である。
hPYP野生型およびR52Q変異体のN15ラベル体を作製し、光反応に伴うFTIRスペクトル変化を詳細に調べた。その結果、中性子結晶構造解析により脱プロトン化していると結論したR52は、L中間体でプロトン化することが明らかになった。暗状態のスペクトルの同位体効果は、プロトン化したアルギニンでは説明ができず、脱プロトン化していると解釈される。理論計算を含めさらに詳細に検討を進める。
全長のPprの光反応の測定から、PYPドメインが光反応した場合に、Bphドメインの光反応が抑制されることが示された。また、このときドメイン配置に変化が起きていることが示唆された。hPYPの活性中間体の構造やRcPYPの構造との比較研究から、情報の伝播機構の理解につなげたい。
hPYPとRcPYPのキメラ蛋白質を用いた研究より、吸収スペクトルを制御する領域のひとつが同定された。多様性を生むメカニズムの解析に進展している。

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

R52のプロトン化状態のFTIRによる研究が進み、最初の光反応中間体であるL中間体において、R52がプロトン化することが明らかになった。基底状態でのFTIRスペクトルは、R52がプロトン化していると仮定すると、説明できないことも明らかになった。理論からの批判に耐えうる実験的証拠がそろってきている。
RcPYPの結晶構造解析から、hPYPとの違いを生む部位が明確になり、共通の構造基盤から多様性を生む分子機構の一端が解明されている。これは、キメラ蛋白質を用いた研究からも裏付けられている。
全長のPprの研究が進み、PYPで受容した光情報が下流に伝播する機構の理解につながっている。
一定の成果を得てきた時間分解結晶構造解析では、変異型に応用しようとしているが、変異型の結晶は光反応に弱く、低温実験を可能にするなど、現在実験系に工夫を加えているところである。
以上のように、共通性と個性(多様性)に着目した研究が順調に進捗しており、国内外の学会で口頭およびポスター発表を行い、高い評価を得ている。

今後の研究の推進方策

当初の計画に沿って順調に研究が進展しているので、今後も研究計画に沿って研究を進めていく。時間分解結晶構造解析に関しては、終了時までにE46QあるいはR52Q変異型について、データ収集から解析まで行いたいと考えている。FTIRおよびNMRを駆使して低障壁水素結合および脱プロトン化したR52の実験的証明を行う。否定的な理論計算があるが、計算と実験の齟齬の原因を明らかにし、PYP光反応の分子機構の全貌を解明したい。
hPYPでは、光反応に伴いN端のアンフォールディングを含む構造変化が起き、この変化を標的蛋白質が認識すると考えられるが、他の二つではこのような大きな変化が起きないことが明らかになってきている。にもかかわらず、情報が伝達される。この事実に多様性の生じるヒントがあると考えている。光反応機構の比較研究を詳細に行い、違いを生む領域の同定に全力を挙げる。
最終年度であるため、特に多様性獲得の分子機構に焦点を定めてまとめるよう努力する。
先進的な結果が得られているため、学会で積極的に発表するとともに、投稿論文としてまとめることにも力を注ぐ。

  • 研究成果

    (32件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (29件) (うち招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Decreased amyloidogenicity by mutational modulation of surface properties of the immunoglobulin light chain BRE variable domain2014

    • 著者名/発表者名
      Yuta Kobayashi, Hirotaka Tsutsumi, Tetsuyuki Abe, Kyohei Ikeda, Yuki Tashiro, Satoru Unzai, Hironari Kamikubo, Mikio Kataoka, Hidekazu Hiroaki, Daizo Hamada
    • 雑誌名

      Biochemistry

      巻: 53(31) ページ: 5162-5173

    • DOI

      10.1021/bi5007892

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Formation of Domain-Swapped Oligomer of Cytochrome c from Its Molten Globule State Oligomer2014

    • 著者名/発表者名
      Megha Deshpande, Partha Parui, Hironari Kamikubo, Masaru Yamanaka, Satoshi Nagao, Hirofumi Komori, Mikio Kataoka, Yoshiki Higuchi, Shun Hirota
    • 雑誌名

      Biochemistry

      巻: 53(28) ページ: 4696-4703

    • DOI

      10.1021/bi500497s

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Local Dynamics Coupled to Hydration Water Determines DNA-sequence Dependent Deformability2014

    • 著者名/発表者名
      H. Nakagawa, Y. Yonetani, K. Nakajima, S. Ohira-Kawamura, T.Kikuchi, Y. Inamura, M. Kataoka, H. Kono
    • 雑誌名

      Physical Reiew E

      巻: 90 ページ: 022723

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.90.022723

    • 査読あり
  • [学会発表] イェロープロテインの 時間分解X線結晶構造解析2015

    • 著者名/発表者名
      片岡幹雄
    • 学会等名
      表面力セミナー
    • 発表場所
      東北大学片平キャンパス(宮城県仙台市)
    • 年月日
      2015-02-28 – 2015-03-01
  • [学会発表] 蛋白質の変性構造を掘る2015

    • 著者名/発表者名
      片岡幹雄
    • 学会等名
      第4回生物系科学における学術研究の動向を探る
    • 発表場所
      丸駒温泉旅館(北海道千歳市)
    • 年月日
      2015-01-11
  • [学会発表] Exploring regulatory association and dissociation processes of biological molecules constituting a functional module2015

    • 著者名/発表者名
      H. Kamikubo
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Dynamical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Integrated Functions
    • 発表場所
      合歓の郷(三重県志摩市)
    • 年月日
      2015-01-10 – 2015-01-11
  • [学会発表] Protonation State of Arginine 52 in Photoactive Yellow Ptotein2015

    • 著者名/発表者名
      K. Yonezawa
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Dynamical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Integrated Functions
    • 発表場所
      合歓の郷(三重県志摩市)
    • 年月日
      2015-01-10 – 2015-01-11
  • [学会発表] Relationship of the photoreactions of two sensor domains in PYP-Phytochrome Related Protein2015

    • 著者名/発表者名
      Y. Keito
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Dynamical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Integrated Functions
    • 発表場所
      合歓の郷(三重県志摩市)
    • 年月日
      2015-01-10 – 2015-01-11
  • [学会発表] Analysis of amyloid formation and inhibition mechanisms of human calcitonin2015

    • 著者名/発表者名
      H. Tanaka
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Dynamical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Integrated Functions
    • 発表場所
      合歓の郷(三重県志摩市)
    • 年月日
      2015-01-10 – 2015-01-11
  • [学会発表] The elucidation of the relationship between b4-5 loop region and the chromophore environment in PYPs2015

    • 著者名/発表者名
      A. Kawamura
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Dynamical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Integrated Functions
    • 発表場所
      合歓の郷(三重県志摩市)
    • 年月日
      2015-01-10 – 2015-01-11
  • [学会発表] Characterization of the denatured structure of staphylococcal nuclease by tryptophan triplet state lifetime measurements2015

    • 著者名/発表者名
      S. Aoyagi
    • 学会等名
      The 3rd International Symposium on Dynamical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Integrated Functions
    • 発表場所
      合歓の郷(三重県志摩市)
    • 年月日
      2015-01-10 – 2015-01-11
  • [学会発表] Structure and photoreaction of photoactive yellow protein2014

    • 著者名/発表者名
      Mikio Kataoka
    • 学会等名
      OUS Physics and Chemistry joint colloquim
    • 発表場所
      オクラホマ大学(Oklahoma, USA)
    • 年月日
      2014-11-04 – 2014-11-06
    • 招待講演
  • [学会発表] Structure and photoreaction of photoactive yellow protein2014

    • 著者名/発表者名
      Mikio Kataoka
    • 学会等名
      16th International Conference on Retinal Proteins
    • 発表場所
      長浜ロイヤルホテル(滋賀県長浜市)
    • 年月日
      2014-10-05 – 2014-10-10
    • 招待講演
  • [学会発表] Analysis for different property of light induced structural changes between two PYPs2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Yamazaki
    • 学会等名
      16th International Conference on Retinal Proteins
    • 発表場所
      長浜ロイヤルホテル(滋賀県長浜市)
    • 年月日
      2014-10-05 – 2014-10-10
  • [学会発表] Structural change in Arginine 52 of photoactive yellow protein during the photoreaction2014

    • 著者名/発表者名
      K. Yonezawa
    • 学会等名
      16th International Conference on Retinal Proteins
    • 発表場所
      長浜ロイヤルホテル(滋賀県長浜市)
    • 年月日
      2014-10-05 – 2014-10-10
  • [学会発表] Light-induced structural change of PYP-phytochrome related protein2014

    • 著者名/発表者名
      K. Yoshida
    • 学会等名
      16th International Conference on Retinal Proteins
    • 発表場所
      長浜ロイヤルホテル(滋賀県長浜市)
    • 年月日
      2014-10-05 – 2014-10-10
  • [学会発表] The elucidation of the relationship between β4-5 loop region and the chromophore environment in PYPs2014

    • 著者名/発表者名
      A. Kawamura
    • 学会等名
      16th International Conference on Retinal Proteins
    • 発表場所
      長浜ロイヤルホテル(滋賀県長浜市)
    • 年月日
      2014-10-05 – 2014-10-10
  • [学会発表] Photoactive Yellow Proteinにおけるアルギニン52のプロトン化状態2014

    • 著者名/発表者名
      米澤健人
    • 学会等名
      第1回「動的秩序と機能」若手研究会
    • 発表場所
      ラフォーレ蔵王(宮城県刈田郡蔵王町)
    • 年月日
      2014-09-28 – 2014-09-30
  • [学会発表] トリプトファン三重項寿命を用いたStaphylococcal nucleaseの変性構造の評価2014

    • 著者名/発表者名
      青柳貞利
    • 学会等名
      第1回「動的秩序と機能」若手研究会
    • 発表場所
      ラフォーレ蔵王(宮城県刈田郡蔵王町)
    • 年月日
      2014-09-28 – 2014-09-30
  • [学会発表] マイクロ流路を用いたX線溶液散乱測定サンプルチェンジャーの開発2014

    • 著者名/発表者名
      岡部龍二
    • 学会等名
      第1回「動的秩序と機能」若手研究会
    • 発表場所
      ラフォーレ蔵王(宮城県刈田郡蔵王町)
    • 年月日
      2014-09-28 – 2014-09-30
  • [学会発表] Analysis for different property of light induced structural changes between two PYPs2014

    • 著者名/発表者名
      Yoichi Yamazaki
    • 学会等名
      第52回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      札幌コンベションセンター(北海道札幌市)
    • 年月日
      2014-09-25 – 2014-09-27
  • [学会発表] Protonation State of Arginine 52 in Photoactive Yellow Protein2014

    • 著者名/発表者名
      Kento Yonezawa
    • 学会等名
      第52回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      札幌コンベションセンター(北海道札幌市)
    • 年月日
      2014-09-25 – 2014-09-27
  • [学会発表] Relationship of the photoreactions between two sensor domains in PYP-Phytochrome Related Protein2014

    • 著者名/発表者名
      Keito Yoshida
    • 学会等名
      第52回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      札幌コンベションセンター(北海道札幌市)
    • 年月日
      2014-09-25 – 2014-09-27
  • [学会発表] Development of a microfluidics-based auto-sample changer for solution X-ray scattering2014

    • 著者名/発表者名
      Ryuji Okabe
    • 学会等名
      第52回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      札幌コンベションセンター(北海道札幌市)
    • 年月日
      2014-09-25 – 2014-09-27
  • [学会発表] Analysis of amyloid formation and inhibition mechanisms of human calcitonin2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroko Tanaka
    • 学会等名
      第52回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      札幌コンベションセンター(北海道札幌市)
    • 年月日
      2014-09-25 – 2014-09-27
  • [学会発表] Characterization of the denatured structure of staphylococcal nuclease by tryptophan triplet state lifetime measurements2014

    • 著者名/発表者名
      Sadatoshi Aoyagi
    • 学会等名
      第52回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      札幌コンベションセンター(北海道札幌市)
    • 年月日
      2014-09-25 – 2014-09-27
  • [学会発表] The elucidation of the relationship between β4-5 loop region and the chromophore environment in PYPs2014

    • 著者名/発表者名
      Atuhiro Kawamura
    • 学会等名
      第52回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      札幌コンベションセンター(北海道札幌市)
    • 年月日
      2014-09-25 – 2014-09-27
  • [学会発表] Acid induced proton transfer in Photoactive Yellow Protein2014

    • 著者名/発表者名
      Mai Arakawa
    • 学会等名
      第52回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      札幌コンベションセンター(北海道札幌市)
    • 年月日
      2014-09-25 – 2014-09-27
  • [学会発表] The potential uses of structure and function elements2014

    • 著者名/発表者名
      Hironari Kamikubo
    • 学会等名
      The 14th KIAS Conference on Protein Structure and Function
    • 発表場所
      Korean Institete for Advanced Study(Seoul, Korea)
    • 年月日
      2014-09-17 – 2014-09-20
    • 招待講演
  • [学会発表] Protein Dynamics and Structure Studied by Neutron Scattering2014

    • 著者名/発表者名
      Mikio Kataoka
    • 学会等名
      The 2nd International Symposium on Science
    • 発表場所
      J-PARC(茨城県つくば市)
    • 年月日
      2014-07-12 – 2014-07-15
    • 招待講演
  • [学会発表] Rhodobacter capsulatus PYP結晶構造に見られる活性中間体様構造の解析/Crystal structural analysis for active-state like structure of Rhodobacter capsulatus PYP2014

    • 著者名/発表者名
      山崎洋一
    • 学会等名
      第14 回日本蛋白質科学会年会
    • 発表場所
      ワークピア横浜(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2014-06-25 – 2014-06-28
  • [学会発表] FRET analysis of denatured staphylococcal nuclease2014

    • 著者名/発表者名
      Mikio Kataoka
    • 学会等名
      8th IUPAP International Conference on Biological Physics
    • 発表場所
      Institute of Physics, Chinese Academy of Sceince(Beijing, China)
    • 年月日
      2014-06-18 – 2014-06-22
    • 招待講演

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公開日: 2016-06-03  

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