高速AFM計測によるKaiタンパク質のロバストな概日周期発生機構の解明

2017 年度 実績報告書

• 研究領域: 生命分子システムにおける動的秩序形成と高次機能発現
• 研究課題/領域番号: 16H00758
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 内橋 貴之 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30326300)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 時計タンパク質 / 高速原子間力顕微鏡 / プロテアソーム / 一分子計測 / ダイナミクス

研究実績の概要

Kaiタンパク質の動的相互作用： KaiCのリン酸化状態に依存してKaiAとの相互作用が概日周期的に変動することを見出した(Phase Dependent Differential Affinity: PDDAと名付けた )。KaiCのリン酸化概日周期について、実験で得られたパラメーターを用いて数理シミュレイションを行い、PDDAが概日周期にどのような影響を及ぼすのかを調べた。PDDAが無い場合には、KaiAとKaiCの濃度比が変動すると概日周期が消失するのに対して、PDDAがある場合には概日周期が維持される濃度比が3倍程度大きくなった。このことから、PDDAは細胞内でのタンパク質濃度の揺らぎに対するKaiシステムの頑強性に寄与していることが明らかになった。また、温度制御下でKaiA-KaiCの相互作用を調べたところ、25-29℃の温度範囲では動的親和性に大きな変化は見られえず、30℃以上では、KaiAとKaiCの親和性が大きく変化することがわかった。
プロテアソームα7ホモ14量体のα６による2ステップ解体過程：領域内共同研究としてプロテアソーム構成タンパク質α7ホモ14量体がα6により解体される過程を観察した。α7-14量体をアミノシランで化学修飾したマイカに強固に吸着させると14量体が自発的に7量体に分離する様子が見られた。さらに，α7-7量体リングの中心孔にα6サブユニットが結合・解離を繰り返し、時間経過とともにα6が中心孔に強固に結合することが分かった。また、積層した７量体リング間に隙間が経時的に生じ、そこにα6が結合する様子が観察された。これらのことから、α7-14量体のα6サブユニットによる解体は、リング積層間隙へのα6の結合と解離、７量体リング中心孔へのα6の強固な結合によるダブルリングの再生阻止の２段階の過程を経ていることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

29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

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ヴァンダービルド大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ヴァンダービルド大学
• [雑誌論文] Applications of high-speed atomic force microscopy to real-time visualization of dynamic biomolecular processes (2018)
  • 著者名/発表者名: Uchihashi Takayuki、Scheuring Simon
  • 雑誌名: BBA General Subjects 巻: 1862 ページ: 229～240
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2017.07.010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rate constants, processivity, and productive binding ratio of chitinase A revealed by single-molecule analysis (2018)
  • 著者名/発表者名: Akihiko Nakamura, Tomoyuki Tasaki, Yasuko Okuni, Chihong Song, Kazuyoshi Murata, Toshiya Kozai, Mayu Hara, Hayuki Sugimoto, Kazushi Suzuki, Takeshi Watanabe, Takayuki Uchihashi, Hiroyuki Noji and Ryota Iino
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 20 ページ: 3010～3018
  • DOI: 10.1039/C7CP04606E
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamic clustering of dynamin-amphiphysin helices regulates membrane constriction and fission coupled with GTP hydrolysis (2018)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Takeda, Toshiya Kozai, Huiran Yang, Daiki Ishikuro, Kaho Seyama, Yusuke Kumagai, Tadashi Abe, Hiroshi Yamada, Takayuki Uchihashi, Toshio Ando and Kohji Takei
  • 雑誌名: e-Life 巻: 7 ページ: e3024
  • DOI: 10.7554/eLife.30246
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Negatively Charged Lipids Are Essential for Functional and Structural Switch of Human 2-Cys Peroxiredoxin II (2018)
  • 著者名/発表者名: Haruyama Takamitsu、Uchihashi Takayuki、Yamada Yutaro、Kodera Noriyuki、Ando Toshio、Konno Hiroki
  • 雑誌名: Journal of Molecular Biology 巻: 430 ページ: 602～610
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2017.12.020
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sweeping of adsorbed therapeutic proteins on prefillable syringe enhances subvisible particles generation (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Maruno, Hiroki Watanabe, Takayuki Uchihashi, Satoru Adachi, Kunihito Arai, Taichi Sawaguchi and Susumu Uchiyama
  • 雑誌名: Journal of Pharmaceutical Sciences 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 0.1016/j.xphs.2018.01.021
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural properties determining low K+ affinity of the selectivity filter in the TWIK1 K+ channel (2018)
  • 著者名/発表者名: Hisao Tsukamoto, Masahiro Higashi, Hideyoshi Motoki, Hiroki Watanabe, Christian Ganser, Koichi Nakajo, Yoshihiro Kubo, Takayuki Uchihashi and Yuji Furutan
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1074/jbc.RA118.001817
  • 査読あり
• [雑誌論文] Insight into structural remodeling of the FlhA ring responsible for bacterial flagellar type III protein export (2018)
  • 著者名/発表者名: Naoya Terahara, Yumi Inoue, Noriyuki Kodera, Yusuke V. Morimoto, Takayuki Uchihashi, Katsumi Imada, Toshio Ando, Keiichi Namba, and Thoru Minamino
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Translating MOF chemistry into supramolecular chemistry: soluble coordination nanofibers showing efficient photon upconversion (2018)
  • 著者名/発表者名: Masanori Hosoyamada, Nobuhiro Yanai, Keisuke Okumura, Takayuki Uchihashi and Nobuo Kimizuka
  • 雑誌名: ChemComm 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum-dot antibody conjugation visualized at the single-molecule scale with high-speed atomic force microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Umakoshi, Hikari Udaka, Takayuki Uchihashi, Toshio Ando, Miho Suzuki, Takeshi Fukuda
  • 雑誌名: Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] 高速原子間力顕微鏡によるタンパク質の動態可視化と画像解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 内橋 貴之
  • 雑誌名: Journal of Computer Chemistry, Japan 巻: 17 ページ: 20～30
  • DOI: doi.org/10.2477/jccj.2018-0001
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Resolution Imaging of a Single Gliding Protofilament of Tubulins by HS-AFM (2017)
  • 著者名/発表者名: Keya Jakia Jannat、Inoue Daisuke、Suzuki Yuki、Kozai Toshiya、Ishikuro Daiki、Kodera Noriyuki、Uchihashi Takayuki、Kabir Arif Md. Rashedul、Endo Masayuki、Sada Kazuki、Kakugo Akira
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 6166
  • DOI: 10.1038/s41598-017-06249-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fast Adsorption of Soft Hydrogel Microspheres on Solid Surfaces in Aqueous Solution (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsui Shusuke、Kureha Takuma、Hiroshige Seina、Shibata Mikihiro、Uchihashi Takayuki、Suzuki Daisuke
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition (Communication) 巻: 56 ページ: 12146～12149
  • DOI: 10.1002/anie.201705808
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interdomain flip-flop motion visualized in flavocytochrome cellobiose dehydrogenase using high-speed atomic force microscopy during catalysis (2017)
  • 著者名/発表者名: Harada Hirofumi、Onoda Akira、Uchihashi Takayuki、Watanabe Hiroki、Sunagawa Naoki、Samejima Masahiro、Igarashi Kiyohiko、Hayashi Takashi
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 8 ページ: 6561～6565
  • DOI: 10.1039/c7sc01672g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Visualisation of a flexible modular structure of the ER folding-sensor enzyme UGGT (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoh Tadashi、Song Chihong、Zhu Tong、Toshimori Takayasu、Murata Kazuyoshi、Hayashi Yugo、Kamikubo Hironari、Uchihashi Takayuki、Kato Koichi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 12142
  • DOI: 10.1038/s41598-017-12283-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Real-space and real-time dynamics of CRISPR-Cas9 visualized by high-speed atomic force microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Shibata Mikihiro、Nishimasu Hiroshi、Kodera Noriyuki、Hirano Seiichi、Ando Toshio、Uchihashi Takayuki、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 ページ: 1430
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01466-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-speed atomic force microscopy imaging of live mammalian cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Mikihiro Shibata, Hiroki Watanabe, Takayuki Uchihashi, Toshio Ando, and Ryohei Yasuda
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 14 ページ: 127～135
  • DOI: 10.2142/biophysico.14.0_127
  • 査読あり
• [雑誌論文] Na+-induced structural transition of MotPS for stator assembly of the Bacillus flagellar motor (2017)
  • 著者名/発表者名: Terahara Naoya、Kodera Noriyuki、Uchihashi Takayuki、Ando Toshio、Namba Keiichi、Minamino Tohru
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 3 ページ: 4119
  • DOI: 10.1126/sciadv.aao4119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Conversion of functionally undefined homopentameric protein PbaA into a proteasome activator by mutational modification of its C-terminal segment conformation (2017)
  • 著者名/発表者名: Yagi-Utsumi Maho、Sikdar Arunima、Kozai Toshiya、Inoue Rintaro、Sugiyama Masaaki、Uchihashi Takayuki、Yagi Hirokazu、Satoh Tadashi、Kato Koichi
  • 雑誌名: Protein engineering design & selection 巻: 31 ページ: 29～36
  • DOI: 10.1093/protein/gzx066
  • 査読あり
• [学会発表] Direct observation of self-assembly process of biological and artificial fibrils using high-speed atomic force microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: Interhierarchical understanding of materials and life through molecular observation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 生命の構成部品を直接みて理解する ～ 顕微鏡技術で可視化するタンパク質のダイナミクス現象 ～ (2018)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 自然科学研究機構 機構長プレス懇談会 「生きているとは何か？」～みる・よむ・つくる研究領域～
  • 招待講演
• [学会発表] Direct visualization of dynamic molecular interactions using HS-AFM (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: Frontier Bioorganization Forum 2017: Dynamical ordering and integrated functions of biomolecular systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Direct visualization of single molecule dynamics by high-speed atomic force microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: Telluride Science Research Center Workshop on Protein Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Oligomeric state and conformational dynamics of eubacterial ion-pumping rhodopsin studied by high-speed AFM (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: KAKENHI International Symposium on “Studying the Function of Soft Molecular Systems”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-speed atomic force microscopy for a tool to visualize dynamic events on biological systems from single molecules to living cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: Workshop on “Nanofluidics in Biological Systems”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Direct observation of single molecule dynamics at work with high-speed atomic force microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: Frontier in Single Molecule Biophysics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Visualization of Single-Molecule Dynamics Using High-Speed Atomic Force Microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: The 2nd Korea-Japan Joint Symposium on Single-Molecule Biophysics 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-speed atomic force microscopy: A tool for visualizing dynamic behavior from proteins to cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: The 28th 2017 International Symposium on Micro-NanoMechanical and Human Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] In-line Force Measurements with High-speed AFM (2017)
  • 著者名/発表者名: Christian Ganser, Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: The 25th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 国際学会
• [学会発表] Two-step process for disassembly mechanism of proteasome α7 homo-tetradecamer by α6 revealed by high-speed atomic force microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Toshiya Kozai, Taichiro Sekiguchi, Tadashi Satoh, Hirokazu Yagi, Koichi Kato and Takayuki Uchihashi
  • 学会等名: The 25th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 国際学会
• [学会発表] Development of new mirro-tilter unit for tip-scanning high-speed atomic force microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Watanabe, Takayuki Uchihashi and Shinnosuke Yamanaka and Toshio Ando
  • 学会等名: The 25th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 国際学会
• [学会発表] Dynamic Observationb of Kai Proteins by HS-AFM Reveales a Mechanism of the Robustness in the Cyanobacterial Circadian Oscillator (2017)
  • 著者名/発表者名: Shogo Sugiyama, Tetsuya Mori, Mark Byne, Takayuki Uchihashi, Carl H. Johnson and Toshio Ando
  • 学会等名: The 62nd Annual Meeting of Biophysical Society
  • 国際学会
• [学会発表] 高速AFMで明らかにするKaiタンパク質間の動的相互作用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 第６９回 日本細胞生物学会大会, シンポジウム「分子の集合・離脱がつかさどる動的な細胞機能」
  • 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡で可視化するタンパク質の動的秩序 (2017)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 第１７回 日本蛋白質科学会年会, ワークショップ「蛋白質動的秩序のマルチプローブを用いた統合的解析
  • 招待講演
• [学会発表] 高速AFMを用いた生体分子のその場観察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: ２０１７年真空・表面科学合同講演会, 合同シンポジウム「バイオ表面・界面，細胞，生体組織のオペランド計測
  • 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡で可視化する生体・人工高分子の動態 (2017)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: ２０１７年真空・表面科学合同講演会, 表面：プローブ顕微鏡研究部会「走査プローブ顕微鏡によるナノ表面科学の最前線」
  • 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡による生体分子のダイナミクス計測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 新世代研究所 バイオ単分子研究会「タンパク質の作動原理の理解へ向けて - 機能する姿を活写する -
  • 招待講演
• [学会発表] Analysis of Rotational Dynamics of Rotorless Enterococcus hirae V1-ATPase using High-Speed Atomic Force Microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Motonori Imamura, Kazuya Nakamoto, Shintaro Maruyama, Fumihiro Kawai, Ryota Iino, Takayuki Uchihashi, Takeshi Murata, Toshio Ando
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会, シンポジウム "Analysis of Protein Dynamics in Solution"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dynamic remodeling of Dynamin complexes during membrane fission (2017)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Takeda, Daiki Ishikuro, Huiran Yang, Toshiya Kozai, Kaho Seyama, Yusuke Kumagai, Hiroshi Yamada, Takayuki Uchihashi, Toshio Ando, Kohji Takei
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会, シンポジウム "Biophysics of molecular assembly and biological membrane"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-Speed AFM Observation of Domain Flexibility Related to Enzymatic Function of CRISPR-Cas9 (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi, Mikihiro Shibata, Hiroshi Nishimasu, Noriyuki Kodera, Seiichi Hirano, Toshio Ando, Osamu Nureki
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会年会 シンポジウム: "Softness and functions of biological molecules under various environments"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡で可視化する生体膜反応ダイナミクス (2017)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 2017年度 生命科学系合同年次大会 ワークショップ「最先端の表面科学手法による生体膜反応の実動作下計測」
  • 招待講演
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡で可視化する Kai タンパク質間相互作用のダイナミクス (2017)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 学会等名: 第２４回日本時間生物学会学術大会 シンポジウム「２４時間の創出原理」
  • 招待講演
• [図書] "High-Speed Atomic Force Microcopy in "Compendium of Surface and Interface Analysis (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Uchihashi
  • 総ページ数: 263-267
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 978-981-10-6155-4
• [図書] パリティ、「高速原子間力顕微鏡によるタンパク質の動画撮影」 (2018)
  • 著者名/発表者名: 内橋貴之
  • 総ページ数: 71-73
  • 出版者: 丸善出版