• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2020 Fiscal Year Annual Research Report

Molecular basis of the protein trafficking system for mitochondrial biogenesis and functional maintenance

Research Project

Project/Area Number 20H05689
Research InstitutionKyoto Sangyo University

Principal Investigator

遠藤 斗志也  京都産業大学, 生命科学部, 教授 (70152014)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 田村 康  山形大学, 理学部, 教授 (50631876)
Project Period (FY) 2020-08-31 – 2025-03-31
KeywordsTOM複合体 / SAM複合体 / トランスロケータ / ポリン / クライオ電子顕微鏡
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、出芽酵母を中心にミトコンドリアの交通システムと品質管理システムについて、クライオ電子顕微鏡(EM)よる構造解析と構造に基づく生化学的・細胞生物学的解析を一気に進め、タンパク質の交通と品質管理に関する新たな原理を確立することをめざしている。今回は,ミトコンドリアの交通システムを構成する外膜のTOM複合体(ミトコンドリアへのタンパク質の搬入口として働く)とSAM複合体(外膜のβバレル型膜タンパク質の構造形成と外膜への組込みを担う)について,以下の結果を得た。
(1)TOM複合体は3分子のTom40を3分子のTom22が糊付けする形の3量体と、2分子のTom40から成りTom22を欠く2量体が動的平衡にあり,各々通過させる前駆体基質が異なる。この動的平衡は、外膜の小分子チャネルのポリンによって制御されると,われわれは考えている。今回、チャネル活性を保持するが2量体安定化機能に欠損のあるポリン変異体を取得,この変異体はミトコンドリアの呼吸活性には影響を与えない一方、TOM複合体の動的平衡には影響を与え、2量体の基質のミトコンドリアへの取り込みが阻害された。以上の結果からTOM複合体の基質特異性が3量体-2量体の動的平衡により制御されるというモデルが正しいことが証明された。
(2)ミトコンドリア外膜で働くSAM複合体の反応サイクルの様々な分子種について,クライオEM構造を決定し、生化学的解析と組み合わせることで,反応機構を明らかにすることに成功した。特に,基質のβバレル構造形成の機構が、細菌においてβバレル型膜タンパク質の構造形成と膜への組込みを担うBAM複合体の機構とは大きく異なることを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究では、出芽酵母を中心にミトコンドリアの交通システムと品質管理システムについて、クライオ電子顕微鏡(EM)よる構造解析と構造に基づく生化学的・細胞生物学的解析を一気に進め、タンパク質の交通と品質管理に関する新たな原理を確立することをめざしている。今回は,ミトコンドリアの交通システムを構成する外膜のTOM複合体(ミトコンドリアへのタンパク質の搬入口として働く)とSAM複合体(外膜のβバレル型膜タンパク質の構造形成と外膜への組込みを担う)について,以下の結果を得た。
(1)TOM複合体は3分子のTom40を3分子のTom22が糊付けする形の3量体と、2分子のTom40から成りTom22を欠く2量体が動的平衡にあり,各々通過させる前駆体基質が異なる。この動的平衡は、外膜の小分子チャネルのポリンによって制御されると,われわれは考えている。今回、チャネル活性を保持するが2量体安定化機能に欠損のあるポリン変異体を取得,この変異体はミトコンドリアの呼吸活性には影響を与えない一方、TOM複合体の動的平衡には影響を与え、2量体の基質のミトコンドリアへの取り込みが阻害された。以上の結果からTOM複合体の基質特異性が3量体-2量体の動的平衡により制御されるというモデルが正しいことが証明された。
(2)ミトコンドリア外膜で働くSAM複合体の反応サイクルの様々な分子種について,クライオEM構造を決定し、生化学的解析と組み合わせることで,反応機構を明らかにすることに成功した。特に,基質のβバレル構造形成の機構が、細菌においてβバレル型膜タンパク質の構造形成と膜への組込みを担うBAM複合体の機構とは大きく異なることを明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

(1)すべてのミトコンドリアタンパク質の搬入口として機能するTOM複合体については,Tom22を含む2量体のクライオ電顕(EM)構造を決定済みであるが,まだ決定できていないミトコンドリア上で主要な分子種の3量体については,安定に電顕測定用のグリッドを作製することが困難であった。そこでノンストップ(NS)ミトコンドリアタンパク質(ストップコドンを除くことによりリボソーム新生鎖(RNC)複合体を形成する)を細胞内で過剰発現することでRNC複合体と作動状態のTOM複合体との複合体を生成し、TOM-RNC複合体として精製、クライオEM解析に供することを検討する。(2)SAM複合体の動的構造変換と作動機構については、すでにSAM複合体-Tom40の構造形成中間体の構造決定に成功しているので、これ以外の構造形成中間体、他の基質についての構造形成中間体の大量調製、構造解析をめざす。(3)2量体-3量体変換の機能的役割については、2量体の基質である膜間部タンパク質のミトコンドリアへの取り込み量が呼吸条件下で増加することから、2量体が担うミトコンドリアタンパク質取り込みの活性を制御する因子の検索を行う。膜間部タンパク質であるTim9にSBPタグを付加した融合タンパク質の発現系を構築したので、発酵・呼吸条件で培養した酵母からストレプトアビジンビーズを用いて基質を精製し、結合因子を解析する。(4)野生型および変異体ポリンのオリゴマー構造をクライオEMで決定する。決定された構造に基づいて、オリゴマー形成やTom22との相互作用に関わる残基の変異体を作成することで,これまで不明であったオリゴマー構造と機能の関係を明らかにする。

  • Research Products

    (16 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 5 results) Book (1 results)

  • [Int'l Joint Research] フライブルグ大学(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      フライブルグ大学
  • [Journal Article] Role of the TOM complex in protein import into mitochondria: structural views.2022

    • Author(s)
      Araiso Y, Imai K, Endo T
    • Journal Title

      Ann. Rev. Biochem.

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1146/annurev-biochem-032620-10452

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Crystal structure of Tam41 cytidine diphosphate diacylglycerol synthase from a Firmicutes bacterium.2022

    • Author(s)
      Kimura K, Kawai F, Kubota-Kawai H, Watanabe Y, Tomii K, Kojima R, Hirata K, Yamamori Y, EndoT, Tamura Y
    • Journal Title

      J. Biochem.

      Volume: 171 Pages: 429-441

    • DOI

      10.1093/jb/mvab154

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mitochondrial sorting and assembly machinery operates by β-barrel switching.2021

    • Author(s)
      Takeda H, Tsutsumi A, Nishizawa T, Lindau C, Busto JV, Wenz L-S, Ellenrieder L, Imai K, Straub SP, Mossmann W, Qiu J, Yamamori Y, Tomii K, Suzuki J, Murata T, Ogasawara S, Nureki O, Becker T, Pfanner N, Wiedemann N, Kikkawa M, Endo T
    • Journal Title

      Nature

      Volume: 590 Pages: 163-169

    • DOI

      10.1038/s41586-020-03113-

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Phosphatidylserine flux into mitochondria unveiled by organelle-targeted Escherichia coli phosphatidylserine synthase PssA.2021

    • Author(s)
      Shiino H, Furuta S, Kojima R, Kimura K, Endo T, Tamura Y
    • Journal Title

      FEBS J.

      Volume: 288 Pages: 3285-3299

    • DOI

      10.1111/febs.15657

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] SAM複合体によるミトコンドリアβバレル膜タンパク質の膜組み込み2021

    • Author(s)
      竹田弘法,遠藤斗志也
    • Journal Title

      生物物理

      Volume: 61 Pages: 392-394

    • DOI

      10.2142/biophys.61.392

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] タンパク質の交通が解き明かすミトコンドリア生合成の仕組み2021

    • Author(s)
      遠藤斗志
    • Organizer
      第20回 日本ミトコンドリア学会年会
    • Invited
  • [Presentation] (Plenary lecture)Protein machineries that make and maintain mitochondria2021

    • Author(s)
      Toshiya Endo
    • Organizer
      35th Annual Symposium of the Protein Society
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Structural analysis of the mitochondrial protein import gate by near-atomic resolution snapshot and nanoscale video imaging2021

    • Author(s)
      Yuhei Araiso, Akihisa Tsutsumi, Kenichiro Imai, Takuya Shiota, Hirotatsu Imai, Kana Kuzasa, Noriyuki Kodera, Masahide Kikkawa, Toshiya Endo
    • Organizer
      第44回日本分子生物学会年会ワークショップ 「多様なミトコンドリアの戦略:強く健康なオルガネラ構築に向けて
    • Invited
  • [Presentation] ミトコンドリアにおけるβバレルタンパク質膜挿入の構造基盤2021

    • Author(s)
      竹田弘法、包明久、吉川雅英、遠藤斗志也
    • Organizer
      第44回日本分子生物学会年会ワークショップ「生命科学の根幹に迫るミトコンドリアダイナミクスの世界」
    • Invited
  • [Presentation] ミトコンドリア外膜蛋白質挿入装置のクライオEM構造2021

    • Author(s)
      竹田弘法、包明久、吉川雅英、遠藤斗志也
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第77回学術講演会シンポジウム「クライオ電子顕微鏡による最新の成果」
    • Invited
  • [Presentation] High-Speed atomic force microscopy analysis of the mitochondrial protein import gate TOM complex2021

    • Author(s)
      Kana Kuzasa, Hirotatsu Imai, Noriyuki Kodera, Akihiro Inazu, Toshiya Endo, Yuhei Araiso
    • Organizer
      第44回日本分子生物学会年会
  • [Presentation] 小分子輸送体ポリンによるタンパク質膜透過装置TOM複合体の機能制御の分子機構2021

    • Author(s)
      阪上春花,遠藤斗志也
    • Organizer
      第94回 日本生化学会大会
  • [Presentation] クライオ電子顕微鏡解析によって明らかになったミトコンドリアタンパク質搬入ゲートTOM複合体の構造と機能2021

    • Author(s)
      荒磯 裕平、包 明久、今井 賢一郎、塩田 拓也、吉川 雅英、遠藤 斗志也
    • Organizer
      日本生化学会北陸支部 第39回大会
  • [Presentation] 高速原子間力顕微鏡を用いたミトコンドリアタンパク質搬入ゲートTOM複合体の動的構造解析2021

    • Author(s)
      九笹 加菜、今井 大達、古寺 哲幸、稲津 明広、遠藤 斗志也、荒磯 裕平
    • Organizer
      日本生化学会北陸支部 第39回大会
  • [Book] ミトコンドリアダイナミクス:機能研究から疾患・老化まで2021

    • Author(s)
      竹田弘法,荒磯裕平,遠藤斗志也
    • Total Pages
      458
    • Publisher
      NTS
    • ISBN
      978-4-86043-746-6

URL: 

Published: 2022-12-28  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi