人工細胞開発のための機能的膜タンパク質試験管内合成システムの構築

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: 動的・多要素な生体分子ネットワークを理解するための合成生物学の基盤構築
• 研究課題/領域番号: 26119701
• 研究機関: 岩手大学
• 研究代表者: 西山 賢一 岩手大学, 農学部, 教授 (80291334)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 人工細胞 / タンパク質膜挿入 / リポソーム / MPIase

研究実績の概要

合成生物学の究極の目的は、人工的に細胞を作製し、それが自己複製能力をもつことであると言える。人工的なリポソームに生体膜のような自己合成能を付与することができれば、人工細胞作製の大きな一歩となる。膜タンパク質は生合成に共役して膜挿入するが、その際いくつかの膜挿入因子の協調的作用が必要となる。我々は、in vivo の反応を忠実に反映したタンパク質膜挿入反応の再構成系の構築に成功し、すべてのタンパク質膜挿入に必須の糖脂質MPIaseを発見した。本年度は、人工細胞作製を視野に入れた、汎用的な試験管内タンパク質膜挿入システムを構築することを第一の目的とした。その結果、MPIaseにのみ依存する膜タンパク質の膜挿入は、基質膜タンパク質の量がMPIase量より多くなったとき、YidCにより膜挿入効率が数倍促進されることが判明した。したがって、基質膜タンパク質はMPIaseの作用により膜挿入が開始され、膜挿入途中でYidCに受け渡され膜挿入が完了することが強く示唆された。SecYEGに依存する膜挿入反応についても、MPIaseとSecYEGを再構成したプロテオリポソームで膜挿入活性が検出された。SRP（シグナル認識粒子）、SRP受容体（SR）を加えなかったときは膜挿入が観察されなかった。このSRP、SecYEG、MPIaseに依存する膜挿入は、YidCを共存させることにより数倍の活性促進が観察された。以上、タンパク質膜挿入の完全再構成系が確立した。

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

本申請では（１）タンパク質膜挿入の完全再構成系の確立と（２）再構成系のリポソーム内への封入を大きな目的に設定している。初年度の計画は（１）の完全再構成系の確立であり、これについては目的を達成したので、「おおむね順調に進展している」とした。

今後の研究の推進方策

上記目的の（１）が達成されたため、（２）再構成系のリポソーム内への封入を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Structural basis of Sec-independent membrane protein insertion by YidC (2014)
  • 著者名/発表者名: Kumazaki, K., Chiba, S., Takemoto, M., Furukawa, A., Nishiyama, K., Sugano, Y., Mori, T., Dohmae, N., Hirata, K., Nakada-Nakura, Y. Maturana, A.D., Tanaka, Y., Mori, H., Sugita, Y., Arisaka, F., Ito, K., Ishitani, R., Tsukazaki, T. and Nureki, O.
  • 雑誌名: Nature 巻: 509 ページ: 516-520
  • DOI: doi:10.1038/nature13167
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Glycolipozyme membrane protein integrase (MPIase): recent data (2014)
  • 著者名/発表者名: Nishiyama, K. and Shimamoto, K.
  • 雑誌名: BioMol Concepts 巻: 5 ページ: 429-438
  • DOI: doi: 10.1515/bmc-2014-0030
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] タンパク質膜挿入の鍵を握るグライコリポザイム～タンパク質でない酵素？～ (2014)
  • 著者名/発表者名: 島本啓子、西山賢一
  • 雑誌名: 実験医学増刊「代謝」 巻: 32 ページ: 115-122
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 膜タンパク質膜挿入の鍵を握る糖脂質酵素MPIase (2014)
  • 著者名/発表者名: 島本啓子、西山賢一
  • 雑誌名: 生命化学研究レター 巻: 44 ページ: 9-14
  • オープンアクセス
• [学会発表] タンパク質膜挿入・膜透過に関与する糖脂質酵素（Glycolipozyme）MPIaseの構造と機能 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西山 賢一、前田 将秀、Moser Michael、楠本 正一、徳田 元、島本 啓子
  • 学会等名: 日本農芸化学会2015年度大会 大会シンポジウム「天然物ケミカルバイオロジー研究の新展開」
  • 発表場所: 岡山大学（岡山県岡山市）
  • 年月日: 2015-03-29
  • 招待講演
• [学会発表] 糖脂質酵素MPIaseと タンパク質膜透過チャネル SecYEGに依存したタンパク質膜挿入反応の再構成 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐々木優、永野孝典、Michael Moser、松林英明、車兪澈、上田卓也、西山 賢一
  • 学会等名: 日本農芸化学会2015年度大会
  • 発表場所: 岡山大学（岡山県岡山市）
  • 年月日: 2015-03-28
• [学会発表] Reconstitution of preprotein translocation across and membrane protein integration into the cytoplasmic membrane of E. coli (2014)
  • 著者名/発表者名: Nishiyama, K.
  • 学会等名: 「細胞を創る」研究会 7.0
  • 発表場所: 東京大学（東京都文京区）
  • 年月日: 2014-11-13
  • 招待講演
• [学会発表] Interaction between MPIase, a glycolipid involved in membrane protein integration and preprotein translocation, and its target proteins (2014)
  • 著者名/発表者名: Nishiyama, K.
  • 学会等名: The 3rd International Symposium on Chemical Biology of Natural Products: Target ID and Regulation of Bioactivity
  • 発表場所: Life Science Center, Senri Osaka (Toyonaka,Osaka)
  • 年月日: 2014-10-28
• [学会発表] タンパク質膜挿入に関与する糖脂質酵素MPIase とYidC との機能的相互作用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西山賢一
  • 学会等名: 第9回 無細胞生命科学研究会
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2014-10-09
• [学会発表] タンパク質膜挿入に関与する糖脂質酵素MPIase の植物ホモログの探索 (2014)
  • 著者名/発表者名: 遠藤佑太、松林英明、車兪澈、上田卓也、西山 賢一
  • 学会等名: 第9回 無細胞生命科学研究会
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2014-10-08
• [学会発表] タンパク質膜挿入・膜透過に関与する糖脂質酵素（Glycolipozyme）MPIaseの構造と機能 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西山賢一
  • 学会等名: 文部科学省特別経費「分子構築イノベーション」フロンティア化学教育研究センター（FCC）講演会
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2014-09-24
  • 招待講演
• [学会発表] Functional interaction between glycolipozyme MPIase and the YidC protein in protein integration into membranes (2014)
  • 著者名/発表者名: Nishiyama, K.
  • 学会等名: The Gordon Research Conference on Bacterial Cell Surfaces
  • 発表場所: Mount Snow (West Dover, VT, USA)
  • 年月日: 2014-06-23 – 2014-06-26
• [学会発表] タンパク質膜透過・膜挿入に関わる糖脂質酵素MPIaseとYidCとの機能的相互作用 (2014)
  • 著者名/発表者名: Michael Moser、Maria Huber、西山 賢一
  • 学会等名: 第11回 21世紀大腸菌研究会
  • 発表場所: ホテル大観（岩手県盛岡市）
  • 年月日: 2014-06-05 – 2014-06-06
• [学会発表] タンパク質膜挿入・膜透過に関与する糖脂質MPIaseと標的タンパク質との相互作用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西山賢一
  • 学会等名: 新学術領域研究「天然物ケミカルバイオロジー～分子標的と活性制御～」第６回公開シンポジウム
  • 発表場所: 名古屋大学（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2014-05-28
• [学会発表] 人工細胞開発のための機能的膜タンパク質試験管内合成システムの構築 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西山賢一
  • 学会等名: 文部科学省科学研究費補助金「新学術領域研究」動的・多要素な生体分子ネットワークを理解するための合成生物学の基盤構築 第五回 領域全体会議
  • 発表場所: 九州大学（福岡県福岡市）
  • 年月日: 2014-05-20
• [学会発表] タンパク質膜透過・膜挿入に関与する糖脂質酵素（glycolipozyme）MPIaseの構造と機能 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西山賢一
  • 学会等名: 第258回生物科学セミナー
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2014-04-24
  • 招待講演
• [備考] 西山研究室ホームページ
  • URL: http://news7a1.atm.iwate-u.ac.jp/~sec/