べん毛モーター固定子の構造変化により生じるエネルギー変換機構の解明

阐明鞭毛电机定子结构变化引起的能量转换机制

• 批准号: 20J00329
• 负责人: 錦野 達郎
• 金额: $ 3.08万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J00329/
• 关键词: Sodium channel; Bacterial flagellum; Energy conversion; Flagellar stator; PomAPomB; Solution NMR; Cryo-EM; Single particle analysis; 細菌べん毛モーター; 固定子; エネルギー変換; クライオ電子顕微鏡; 単粒子解析; 溶液NMR; イオンチャネル; べん毛モーター; 固定子複合体; 回転子; FliG

細菌の運動器官の一つであるべん毛は、回転するモーターをもつ超分子複合体である。モーターは自身が回転する「回転子」と回転子の周りに集合しイオンチャネルとして機能する「固定子」の2種類の複合体から成る。モーターの回転は、固定子への共役イオンの流入とカップルした回転子と固定子の相互作用により、膜内外に形成される電気化学ポテンシャルが運動エネルギーに変換されることで生じる。固定子は、5分子のA(PomA)と2分子のB(PomB)のサブユニットからなる膜貫通タンパク質複合体である。その構造はクライオ条件下での単粒子解析により明らかになっているが、エネルギー変換の際の複合体の構造変化や共役イオンの通り道は未だによくわかっていない。本研究では、これらを明らかにするため、クライオ条件での単粒子解析と溶液核磁気共鳴法(NMR)によりにNa+チャネルである海洋性ビブリオ菌の固定子複合体[PomAPomB]の構造情報を取得と、申請者のこれらの手法の習熟を目的としていた。3年間の研究により、単粒子解析では、複合体の近原子分解能のクライオマップを構築し、モデル構造の構築と精密化ができた。溶液NMRでの解析では、複合体試料の測定を行ったところ、Na+濃度に依存したスペクトルの変化が見られた。これらの結果を基にして、共役イオンが固定子複合体をどのように通ることにより、回転子を回転させるのかに関して論文の執筆を進めている。これらの成果から、申請者はクライオ条件での単粒子解析と溶液NMRによる構造解析技術を習得できた。また関連した研究として、高度好熱菌の固定子Aサブユニット(MotA)複合体の単粒子解析では、MotAのみで5量体を形成する内容を論文にまとめ、受理された。回転子を構成するタンパク質の一つであるFliGの溶液NMR解析の内容は論文を投稿し、リバイスが帰ってきており対応を進めている。

鞭毛是细菌的器官之一，是带有旋转电动机的超分子复合物。电动机由两种类型的复合物组成：旋转自身的“转子”和一个围绕转子组装并用作离子通道的“定子”。当由于转子和定子的相互作用以及共轭离子的涌入到定子中，将电动机的旋转发生在膜内和外部形成的电势被转化为动能。定子是跨膜蛋白复合物，该蛋白质复合物由A（POMA）的五个分子和B（Pomb）亚基的两个分子组成。在冷冻条件下，单个粒子分析揭示了该结构，但是在能量转化过程中复合物和共轭离子路径的结构变化仍然不太了解。在这项研究中，我们的目的是通过在冷冻条件下和溶液核磁共振（NMR）下通过单个颗粒分析获得Na+通道的定子配合物的结构信息来阐明这些信息，并在这些方法中获得申请人的能力。三年的研究允许单个粒子分析构建复合物的近原子分辨率的冷冻膜，并构建和完善模型结构。在溶液NMR分析中，当测量复合样品时，根据Na+浓度观察到光谱的变化。基于这些结果，我正在写一篇论文，介绍了共轭离子如何通过定子复合物以旋转转子。这些结果使申请人可以使用溶液NMR在冷冻条件和结构分析技术下获取单个颗粒分析。在一项相关研究中，在定子的单个颗粒分析中，高度嗜热细菌的亚基（MOTA）复合物，将五聚体的Mota形成的含量汇编成纸张并接受。我已经提交了有关溶液NMR分析的内容的论文，其中一种构成转子的蛋白质之一，盖子又返回了，所以我正在继续使用。

项目成果

Structural differences of the flagellar rotor in the counterclockwise and clockwise rotation states

鞭毛转子逆时针和顺时针旋转状态下的结构差异

• 发表时间: 2021
• 作者: Tatsuro Nishikino;Britany Carroll;Shiwei Zhu;Seiji Kojima;Jun Liu;Michio Homma
• 通讯作者: Michio Homma

Flagellar related genes and functions in <i>Vibrio</i>

弧菌中鞭毛相关基因和功能

• DOI: 10.3412/jsb.75.195
• 发表时间: 2020
• 期刊: Nippon Saikingaku Zasshi
• 作者: NISHIKINO Tatsuro;KOJIMA Seiji;HOMMA Michio
• 通讯作者: HOMMA Michio

NMR analysis of the conformational transition of flagellar rotor protein FliG, that determines flagellar rotational direction in marine Vibrio

鞭毛转子蛋白 FliG 的构象转变的 NMR 分析，决定海洋弧菌鞭毛的旋转方向

• 发表时间: 2021
• 作者: Tatsuro Nishikino;Seiji Kojima;Michio Homma;Yohei Miyanoiri.
• 通讯作者: Yohei Miyanoiri.

海洋性ビブリオ菌べん毛の回転方向を制御するタンパク質 FliG の高圧 NMR による構造解析

通过高压核磁共振对控制海洋弧菌鞭毛旋转方向的蛋白质 FliG 进行结构分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 〇錦野達郎,小嶋誠司;本間道夫;宮ノ入洋平
• 通讯作者: 宮ノ入洋平

Structure of MotA, a flagellar stator protein, from hyperthermophile

MotA（一种来自超嗜热生物的鞭毛定子蛋白）的结构

• DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.09.072
• 发表时间: 2023
• 期刊: Biochemical and Biophysical Research Communications
• 影响因子: 3.1
• 作者: Tatsuro Nishikino;Norihiro Takekawa;Duy Phuoc Tran;Jun-ichi Kishikawa;Mika Hirose;Sakura Onoe;Seiji Kojima;Michio Homma;Akio Kitao;Takayuki Kato and Katsumi Imada
• 通讯作者: Takayuki Kato and Katsumi Imada