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2015 Fiscal Year Annual Research Report

分子機能を生み出す柔らかさの時間分解観測とその発現機構解明

Planned Research

Project AreaScience on Function of Soft Molecular Systems by Cooperation of Theory and Experiment
Project/Area Number 25104006
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

水谷 泰久  大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60270469)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 水野 操  大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (10464257)
石川 春人  大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 講師 (40551338)
Project Period (FY) 2013-06-28 – 2018-03-31
Keywordsラマン分光学 / アロステリー / 時間分解分光学
Outline of Annual Research Achievements

1.ガスセンサータンパク質の構造変化と機能発現機構の研究
FixLはマメ科植物と共生する根粒菌に含まれる酸素センサータンパク質で、細胞内酸素濃度を感知する。これまでの研究から、酸素の結合に伴って起きるTyr201の水素結合強度変化が活性制御に重要であることが明らかになっている。本研究では、時間分解紫外共鳴ラマン分光法を用いて、酸素の脱離に伴いTyr201の水素結合強度が数マイクロ秒の時定数で変化していることを明らかにした。さらに、複数のタンパク質のドメインを組み合わせたキメラタンパク質を作製し、FixLと同様の活性制御が可能であることを実証した。これは、タンパク質のアロステリーが共通の機構によって起きていることを示唆する結果であり興味深い。また、一酸化炭素センサータンパク質CooAについてもその構造ダイナミクスを調べ、機能発現機構について考察した。
2.光受容タンパク質の構造変化と機能発現機構の研究
グロイオバクターロドプシン(GR)は、光エネルギーを利用してプロトンを細胞内から細胞外へと輸送する。本研究では、共鳴ラマン分光法を用いて、ナノ秒からミリ秒領域におけるレチナール発色団の構造および周辺残基との相互作用を調べた。その結果、プロトン輸送に関与しているGlu132残基と発色団の間には10 Å以上の距離があるにも関わらず、初期中間体の段階で相互作用が形成されることを明らかにした。また、ナトリウムイオンポンプKR2および塩化物イオンポンプFRについてもその構造ダイナミクスを調べ、機能発現機構について考察した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

計画通り、タンパク質の柔らかさと機能発現との相関を解明する研究が進んでいる。新規に開始したキメラタンパク質を用いたアロステリック機構解明を目指す研究も軌道に乗っている。中間評価においても高い評価を得ている。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、共鳴ラマン分光法がもつ長所を最大限に活かし、複数の機能部位の構造変化を多面的に観測する。これらのダイナミクス観測とタンパク質の活性測定とを組み合わせて、タンパク質のどのような動きが機能を生み出しているのかを明らかにする。
平成28年度は、これまで行ってきたプロトン輸送タンパク質の研究を拡張し、プロトン輸送タンパク質以外のイオン輸送タンパク質へ研究を行う。新規の塩化物イオン輸送タンパク質、および神取グループ(A03項目)によって発見されたナトリウムイオン輸送タンパク質について、発色団および周囲のタンパク質部分に起きる構造変化を調べ、イオン輸送機構を解明する。また、アミノ酸残基のアンチストークススペクトル測定によって、タンパク質内エネルギー伝搬過程を残基の空間分解能で時空間マッピングする。北尾グループ(A01項目)によるMDシミュレーションの結果と比較し、タンパク質内のエネルギー伝搬経路を明らかにする。ここから、連動的な構造変化を駆動する要素であるエネルギーフローの機構を解明する。
上記の研究によって得られた機能発現機構に基づいて、機能発現の原理解明および原理解明に基づいた機能性分子設計を行う。

  • Research Products

    (26 results)

All 2016 2015 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (20 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results,  Invited: 8 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Effect of the N-terminal residues on the quaternary dynamics of human adult hemoglobin2016

    • Author(s)
      Shanyan Chang, Misao Mizuno, Haruto Ishikawa and Yasuhisa Mizutani
    • Journal Title

      Chem. Phys.

      Volume: 469-470 Pages: 31-37

    • DOI

      doi:10.1016/j.chemphys.2016.02.009

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Carbon monoxide binding properties of domain-swapped dimeric myoglobin2015

    • Author(s)
      Satoshi Nagao, Haruto Ishikawa, Takuya Yamada, Yasuhisa Mizutani, and Shun Hirota
    • Journal Title

      J. Biol. Inorg. Chem.

      Volume: 20 Pages: 523-530

    • DOI

      doi:10.1007/s00775-014-1236-0

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Protein response to chromophore isomerization in microbial rhodopsins revealed by picosecond time-resolved ultraviolet resonance Raman spectroscopy: a review2015

    • Author(s)
      Misao Mizuno and Yasuhisa Mizutani
    • Journal Title

      Recent progress in colloid and surface chemistry with biological applications

      Volume: 1215 Pages: 329-353

    • DOI

      DOI: 10.1021/bk-2015-1215.ch016

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 時間分解共鳴ラマン分光法によるヘモグロビンのPerutz機構のリアルタイム観測2015

    • Author(s)
      水谷泰久
    • Journal Title

      生物物理

      Volume: 55 Pages: 95-97

    • DOI

      DOI: 10.2142/biophys.55.095

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] レーザー技術の発展とタンパク質超高速ダイナミクス研究2015

    • Author(s)
      水野操, 水谷泰久
    • Journal Title

      生物物理

      Volume: 55 Pages: 322-328

    • DOI

      DOI: 10.2142/biophys.55.322

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] emporal Raman mapping of vibrational energy flow in hemeprotein2015

    • Author(s)
      Yasuhisa Mizutani
    • Organizer
      Pacifichem 2015
    • Place of Presentation
      Honolulu, Hawaii, USA
    • Year and Date
      2015-12-15 – 2015-12-20
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Roles of Structural Changes around Tyr201 in Kinase Regulation of Oxygen Sensor Protein FixL2015

    • Author(s)
      Takeo Yamawaki, Haruto Ishikawa, Misao Mizuno, Hiro Nakamura, Yoshitsugu Shiro, Yasuhisa Mizutani
    • Organizer
      Pacifichem 2015
    • Place of Presentation
      Honolulu, Hawaii, USA
    • Year and Date
      2015-12-15 – 2015-12-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ナトリウムイオンポンプ型ロドプシンの発色団中間体構造:共鳴ラマン分光法による観測2015

    • Author(s)
      西村尚、水野操
    • Organizer
      新学術領域「柔らかな分子系」第 13 回 ワークショップ 「光駆動ナトリウムポンプからタンパク質の柔らかさと機能のつながりを考える」
    • Place of Presentation
      犬山
    • Year and Date
      2015-10-28 – 2015-10-29
    • Invited
  • [Presentation] Watching energy flow in proteins2015

    • Author(s)
      Yasuhisa Mizutani
    • Organizer
      The Fifth Asian Spectroscopy Conference
    • Place of Presentation
      Sydney, Australia
    • Year and Date
      2015-09-29 – 2015-10-02
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Structural evolution of the retinal chromophore in the photocycle of microbial ion pumps2015

    • Author(s)
      Misao Mizuno
    • Organizer
      The Fifth Asian Spectroscopy Conference
    • Place of Presentation
      Sydney, Australia
    • Year and Date
      2015-09-29 – 2015-10-02
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Long-range coupling between the chromophore and the proton donor in the K intermediate of Gloeobacter rhodopsin2015

    • Author(s)
      Kentaro Oikawa, Misao Mizuno, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
    • Organizer
      11th Australasian Conference on Vibrational Spectroscopy and the 5th Asian Spectroscopy Conference
    • Place of Presentation
      Sydney, Australia
    • Year and Date
      2015-09-29 – 2015-10-02
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Chromophore structures in the early intermediates of light-driven chloride ion pumps2015

    • Author(s)
      Shinji Kubota, Misao Mizuno, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
    • Organizer
      11th Australasian Conference on Vibrational Spectroscopy and the 5th Asian Spectroscopy Conference
    • Place of Presentation
      Sydney, Australia
    • Year and Date
      2015-09-29 – 2015-10-02
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] グロイオバクターロドプシンのプロトンポンプ機能を促進する発色団構造変化2015

    • Author(s)
      中嶋 亜侑美、水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
    • Organizer
      第9回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [Presentation] 水素結合強度変化によるFixLのリン酸化活性制御機構2015

    • Author(s)
      山脇 竹生、石川 春人、水野 操、中村 寛夫、城 宜嗣、水谷 泰久
    • Organizer
      第9回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [Presentation] グロイオバクターロドプシンK中間体における発色団とプロトンドナーとの長距離カップリング2015

    • Author(s)
      及川 健太郎、水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
    • Organizer
      第9回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [Presentation] 光駆動塩化物イオンポンプの反応初期中間体の発色団構造2015

    • Author(s)
      久保田 真司、水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
    • Organizer
      第9回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [Presentation] ナトリウムポンプ型ロドプシンの光反応中間体構造のカチオン依存性2015

    • Author(s)
      西村 尚、水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
    • Organizer
      第9回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [Presentation] Time-resolved resonance Raman observation of proteins in action2015

    • Author(s)
      水谷泰久
    • Organizer
      日本生物物理学会第53回年会
    • Place of Presentation
      金沢
    • Year and Date
      2015-09-13 – 2015-09-15
    • Invited
  • [Presentation] Observation of rare events in retinal proteins revealed by time-resolved resonance Raman spectroscopy2015

    • Author(s)
      水野操
    • Organizer
      日本生物物理学会第53回年会
    • Place of Presentation
      金沢
    • Year and Date
      2015-09-13 – 2015-09-15
    • Invited
  • [Presentation] Structural Changes of Microbial Rhodopsins in Their Photocycles as Revealed by Time-resolved Visible and Ultraviolet Resonance Raman Spectroscopy2015

    • Author(s)
      Yasuhisa Mizutani
    • Organizer
      Telluride Science Research Center Workshop on Protein Dynamics
    • Place of Presentation
      elluride, Colorado, USA
    • Year and Date
      2015-08-03 – 2015-08-07
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Time-resolved Raman Mapping of Vibrational Energy Flow in Hemeproteins2015

    • Author(s)
      Yasuhisa Mizutani, Naoki Fujii, Masato Kondoh, Mitsuhiro Miyamoto, Misao Mizuno, and Haruto Ishikawa
    • Organizer
      Seventeenth International Conference on Time-resolved Vibrational Spectroscopy
    • Place of Presentation
      Madison, Wisconsin, USA
    • Year and Date
      2015-06-21 – 2015-06-25
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Anisotropy of intraprotein vibrational energy transfer monitored by time-resolved anti-Stokes ultraviolet resonance Raman spectroscopy2015

    • Author(s)
      Masato Kondoh, Misao Mizuno and Yasuhisa Mizutani
    • Organizer
      Seventeenth International Conference on Time-resolved Vibrational Spectroscopy
    • Place of Presentation
      Madison, Wisconsin, USA
    • Year and Date
      2015-06-21 – 2015-06-25
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Structural evolution of the retinal chromophore in the photocycle of microbial ion pumps2015

    • Author(s)
      Misao Mizuno, Ayumi Nakajima, Hideki Kandori, and Yasuhisa Mizutani
    • Organizer
      Seventeenth International Conference on Time-resolved Vibrational Spectroscopy
    • Place of Presentation
      Madison, Wisconsin, USA
    • Year and Date
      2015-06-21 – 2015-06-25
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Intersubunit Interaction with an N-terminus Residue of the α Subunit on Dynamics of Human Hemoglobin2015

    • Author(s)
      Shanyan Chang, Misao Mizuno, Haruto Ishikawa and Yasuhisa Mizutani
    • Organizer
      Seventeenth International Conference on Time-resolved Vibrational Spectroscopy
    • Place of Presentation
      Madison, Wisconsin, USA
    • Year and Date
      2015-06-21 – 2015-06-25
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Allosteric dynamics of hemoglobin revealed by time-resolved resonance Raman spectroscopy2015

    • Author(s)
      Yasuhisa Mizutani, Kenta Yamada, Haruto Ishikawa, Misao Mizuno
    • Organizer
      3rd Awaji International Workshop on “Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications
    • Place of Presentation
      Awaji, Japan
    • Year and Date
      2015-06-14 – 2015-06-16
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 大阪大学 大学院理学研究科 化学専攻 生物物理化学研究室

    • URL

      http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/mizutani/index-jp.html

URL: 

Published: 2017-01-06  

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