高速AFMで明らかにする真正細菌型イオンポンプロドプシンの多量体構造と機能動態

2017 年度 実績報告書

• 研究領域: 理論と実験の協奏による柔らかな分子系の機能の科学
• 研究課題/領域番号: 16H00830
• 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: 微生物ロドプシン / 高速原子間力顕微鏡 / 一分子計測 / 多量体構造 / 構造変化

研究実績の概要

１．イオンポンプロドプシンの多量体構造の決定: 様々な微生物型ロドプシンを高速AFM法と円二色性(CD)分光法により網羅的に解析し、脂質膜に再構成された状態での多量体構造を決定した。高速AFM観察により、GR、KR2、FR、KrActR、QsActR等の真性細菌で見出された微生物型ロドプシンはリング状の5量体を形成しており、GPRは５量体と６量体が共存していることがわかった。また、センサリーロドプシンであるSRII、ハロロドプシンNpHRなどの古細菌型ロドプシンは三量体であることがわかった。一方、内向きH+ポンプであるPoXeRやセンサリーロドプシンASRは真性細菌で発見された微生物型ロドプシンであるが、アミノ酸残基の相同性からは古細菌型に分類され、実際多量体構造は三量体であった。また、CD分光で観察される三量体と五量体に特徴的なスペクトルは多量体構造に依存したレチナールの配向で説明できることもわかった。これらの結果から、微生物型プロドプシンの多量体構造は進化系統樹と深く関わっている一方、イオンポンプのイオン種や向きと相関がないことがわかった。
2．KR2の光誘起構造変化の観察の観察: 外向きNa+ポンプであるKR2の光誘起による構造変化の観察に向けて、KR2五量体の観察面の決定およい高解像観察に適した試料の調製を行った。野生型に比べて光サイクルが100以上遅いN112A変異体を高解像観察しながら、周期的な光照射を照射したが明瞭な構造変化は観察できなかった。このことから、BRとは異なり、KR2の光サイクル中には大規模な構造変化は起きていない可能性が示唆された。

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

• [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] Construction of a Triangle-Shaped Trimer and a Tetrahedron Using an α-Helix-Inserted Circular Permutant of Cytochrome c 555 (2018)
  • 著者名/発表者名: Oda Akiya、Nagao Satoshi、Yamanaka Masaru、Ueda Ikki、Watanabe Hiroki、Uchihashi Takayuki、Shibata Naoki、Higuchi Yoshiki、Hirota Shun
  • 雑誌名: Chemistry - An Asian Journal 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1002/asia.201800252
  • 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] irect 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] Dynamic Observationb of Kai Proteins by HS-AFM Reveales a Mechanism of the Robustness in the Cyanobacterial Circadian Oscillator (2018)
  • 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] 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] 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 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
• [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
• [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