Multi-scale structural analysis of membrane protein in cells by hyperpolarized NMR

利用超极化核磁共振对细胞膜蛋白进行多尺度结构分析

• 批准号: 21K06046
• 负责人: 藤原 敏道
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K06046/
• 关键词: 固体NMR; 細胞内分子構造; 常磁性造影剤; タンパク質相互作用; 超偏極核スピン; 細胞内蛋白質; 固体核磁気共鳴; 動的核分極; 細胞構造; 細胞解析; 核磁気共鳴; 超偏極; 極低温

相互作用する膜蛋白質に重点を置き細胞を対象にしてマルチスケールにわたる構造解析を行う方法の開発とその応用実証を行った。この課題で重要なのは，最先端のNMR測定法とその応用に最適な細胞試料調製法を組み合わせて解析を行うことである。NMRの低感度に対しては，温度20Kの高磁場動的核分極法（DNP）を用いて超偏極核スピン状態を作り出し，マジック角試料回転により高分解能NMR感度を5000倍向上させた。このための超偏極クライオNMR装置開発では，冷却Heガス循環法によって実用的で長時間安定して低温によりノイズも削減してNMR感度向上を実現した。これを応用して，感度の低い蛋白質・糖，蛋白質・脂質などについても分子間相互作用をNMR交差信号として検出できるようにした。従来のin-cell NMR法では，分子量5万以上の蛋白質検出が困難という制約を受けるが分解能で優れる溶液NMRが用いられていた。今回は，その分子量に関する選択性に影響されずに，全ての分子を定量的に測定できる固体NMR法を用いた。これを利用して細胞数計測と組み合わせて1細胞当たりの分子状態を反映した存在量を計測する。これで，運動性の低い膜蛋白質や重合体の構造解析を可能にした。細胞内の位置測定のために，イメージング法MRIで用いる常磁性造影剤とDNP用分極剤を用いて，細胞内の位置情報をNMR信号強度にエンコードした。このために造影剤Gd3+錯体が局在することで大腸菌表面を内部特別して選択的にNMR測定できることを示した。常磁性緩和促進と1Hスピン拡散により膜蛋白質と膜から離れて細胞内にある蛋白質を区別できることを示した。この解析には，相補的な構造情報を得られる電子顕微鏡細胞観察とも組み合わせた。

The interaction between membrane proteins and the development of structural analysis methods This topic is very important, and the most advanced NMR measurement method and the most suitable cell sample preparation method are combined and analyzed. The NMR sensitivity is 5000 times higher than that of the high magnetic field at 20K. The NMR device was developed by cooling down the system, and the NMR sensitivity was increased by cooling down the system. The sensitivity of these compounds is low. Protein, sugar, protein, lipid, molecular interaction, NMR cross-signals, etc. In recent years, in-cell NMR has been used to detect proteins with molecular weights of more than 50,000. In this paper, the molecular weight of the relevant selectivity of the impact, all molecular quantitative determination of solid state NMR method The number of cells measured and the number of molecules present in a cell measured Therefore, it is possible to analyze the structure of the low membrane protein and the recombinant. The position of the cell is measured by MRI, and the position information of the cell is measured by NMR signal intensity. The contrast agent Gd3 + is present on the surface of E. coli, especially in the interior of E. coli, as determined by NMR. The magnetic properties of the membrane proteins are different from those of the intracellular proteins. This analysis is complementary to the structural information obtained from the electron microscope.

项目成果

A hybrid strategy combining solution NMR spectroscopy and isothermal titration calorimetry to characterize protein-nanodisc interaction

结合溶液核磁共振波谱和等温滴定量热法来表征蛋白质-纳米盘相互作用的混合策略

• DOI: 10.1016/j.ab.2021.114521
• 发表时间: 2022
• 期刊: Analytical Biochemistry
• 影响因子: 2.9
• 作者: Sugiki Toshihiko;Lee Young-Ho;Alsanousi Nesreen;Murata Kaito;Kawamura Izuru;Fujiwara Toshimichi;Hanada Kentaro;Kojima Chojiro
• 通讯作者: Kojima Chojiro

機能構造計測学研究室

功能结构计量实验室

Cryogenic signal amplification combined with helium-temperature MAS DNP toward ultimate NMR sensitivity at high field conditions

低温信号放大与氦温 MAS DNP 相结合，可在高场条件下实现终极 NMR 灵敏度

• DOI: 10.1016/j.jmr.2021.107139
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of Magnetic Resonance
• 影响因子: 2.2
• 作者: Matsuki Yoh;Nakamura Shinji;Hobo Fumio;Endo Yuki;Takahashi Hiroki;Suematsu Hiroto;Fujiwara Toshimichi
• 通讯作者: Fujiwara Toshimichi

Dynamics of the HP1 Hinge Region with DNA Measured by Site-Directed Spin Labeling-EPR Spectroscopy

• DOI: 10.1007/s00723-022-01519-2
• 发表时间: 2023-01-05
• 期刊: APPLIED MAGNETIC RESONANCE
• 影响因子: 1
• 作者: Suetake，Isao;Sato，Kazunobu;Arata，Toshiaki
• 通讯作者: Arata，Toshiaki

Evolution of α-synuclein conformation ensemble toward amyloid fibril via liquid-liquid phase separation (LLPS) as investigated by dynamic nuclear polarization-enhanced solid-state MAS NMR

通过动态核极化增强固态 MAS NMR 研究 α-突触核蛋白构象整体通过液-液相分离 (LLPS) 向淀粉样原纤维的演化

• DOI: 10.1016/j.neuint.2022.105345
• 发表时间: 2022
• 期刊: Neurochemistry International
• 影响因子: 4.2
• 作者: Mika Takamuku;Tomoaki Sugishita;Hajime Tamaki;Lingyingzi Dong;Masatomo So;Toshimichi Fujiwaraa;Yoh Matsuki
• 通讯作者: Yoh Matsuki