形態機能学2b研究室

 

助教授 高田 泰弘 Takada, Yasuhiro

研究領域名:微生物学、生化学

Tel 011-706-2742  Fax 011-706-4851

E-mail: ytaka@sci.hokudai.ac.jp

 

 

【研究概要】

 生物は外部環境の変化に対して適応する能力を備えている。特に、体制の簡単な細菌は外部環境の変化の影響を直接受ける。また、他の生物では生育できない過酷な環境に棲息する細菌の存在が知られている。生物の環境適応機構を分子レベルで明らかにするために、生化学的な研究に適しているこのような細菌をモデル生物として、主に低温や高塩濃度環境への適応に焦点を絞って研究を進めている。

 

1.低温適応型酵素の構造と機能に関する研究

 0℃でも活発に増殖できる好冷菌のあるものでは、中心的代謝経路のTCA回路の酵素であるイソクエン酸脱水素酵素(IDH)に二種類のアイソザイムが存在する。その片方(IDH-II)は単量体で、低温で高い活性を発揮し、著しく熱不安定な低温適応型酵素の特徴を持つ。もう一つの酵素(IDH-I)は二量体の蛋白質からなり、常温で生育する生物が持つ酵素と同様の温度特性を示す。一方、ある種の窒素固定菌は単量体型であるが常温性の性質を示すIDHAvIDH)を持っている。AvIDH立体構造を解析したところ(図1)、単量体型と二量体型のIDHではアミノ酸配列においてほとんど相同性が見られないにもかかわらず、触媒作用などの重要な機能を担う部分の構造が互いに類似性を示すことがわかった。

低温適応型IDH-II低温での活性発現がどのような酵素蛋白質の構造上の特徴と関係するのかを明らかにするために、IDH-IIAvIDHのさまざまなキメラ酵素や両酵素の変異酵素を作成してその性質を調査し、立体構造との関連性を研究している。

また、単量体型と二量体型のIDHの酵素学的な性質や構造上の特徴などから、この酵素の進化や好冷菌が二種のIDHアイゾザイム持つことの生理学的な意義についても研究を進めている。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                       

 

 

1. 窒素固定菌IDHの立体構造モデル

 

 

2.低温誘導性遺伝子の発現調節

 この好冷菌が持つ二種のIDHアイゾザイムの遺伝子は染色体上に隣接してそれぞれ別個に存在している。しかし、IDH-II遺伝子(icdII)の発現は低温下で顕著に増加し、低温誘導性であるのに対して、もう一つのIDH-I遺伝子(icdI)の発現は低温では誘導されず、それらの発現は互いに独立して調節されている(図2)。

 icdIIの発現に関与するシス配列やトランス調節因子の同定を含めた発現調節機構の解明を目指している。

 また、同様の研究を好冷菌の低温適応型イソクエン酸リアーゼをコードする遺伝子でもおこなっている。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 好冷菌イソクエン酸脱水素酵素アイソザイム遺伝子の発現調節

 

 

3.Na+イオンに共役したエネルギー変換機構

好気生物のエネルギー代謝では、呼吸依存性H+ポンプが呼吸鎖の働きに伴ってH+を排出し、その結果H+の細胞膜を介した電気化学ポテンシャル差DmH+が生じる。このDmH+はエネルギーを必要とする種々の細胞内過程の駆動力として、またH+輸送性F0F1-ATPaseが行なうATP合成に用いられる。一方、海洋などNa+が豊富に存在する環境に適応した細菌では、Na+H+と同様に利用してエネルギーを変換するものがある。先に述べたある種の好冷菌もこのようなエネルギー変換機構を持つ(図3)。この細菌は好気生物に普遍的な呼吸依存性H+ポンプに加えて、同様にNa+を排出してDmNa+をつくる呼吸依存性Na+ポンプを持ち、その細菌のATP合成はDmNa+でも駆動される。これらの呼吸依存性Na+ポンプやDmNa+で駆動されるATP合成酵素が好気生物に普遍的な呼吸依存性H+ポンプやH+輸送性F0F1-ATPaseとどのように違うのかを遺伝子レベルで調査している。

 

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. 海洋性好冷菌のエネルギー代謝

 

【研究業績】

原著論文(1997〜)

 

S. Maki, M. Yoneta and Y. Takada: Two isocitrate dehydrogenases from a

 psychrophilic bacterium, Colwellia psychrerythraea. Extremophiles, 10 (3),

 237-249 (2006)

S. Watanabe, Y. Yasutake, I. Tanaka and Y. Takada: Elucidation of stability

  determinants of cold-adapted monomeric isocitrate dehydrogenase from a

 psychrophilic bacterium, Colwellia maris, by construction of chimeric enzymes.

Microbiology, 151 (4), 1083-1094 (2005)

 S. Watanabe and Y. Takada: Amino acid residues involved in cold adaptation of

isocitrate lyase from a psychrophilic bacterium, Colwellia maris.

Microbiology, 150 (10), 3393-3403 (2004)

M. Yoneta, T. Sahara, K. Nitta and Y. Takada: Characterization of chimeric isocitrate

 dehydrogenases of a mesophilic nitrogen-fixing bacterium, Azotobacter vinelandii, and a psychrophilic bacterium, Colwellia maris.

Curr. Microbiol., 48 (5), 383-388 (2004)

Y. Yasutake, S. Watanabe, M. Yao, Y. Takada, N. Fukunaga and I. Tanaka:

  Crystal structure of the monomeric isocitrate dehydrogenase in the presence of

 NADP+: Insight into the cofactor recognition, catalysis and evolution.

 J. Biol. Chem., 278 (38), 36897-36904 (2003)

Y. Yasutake, S. Watanabe, M. Yao, Y. Takada, N. Fukunaga and I. Tanaka:

  Structure of the monomeric isocitrate dehydrogenase: Evidence of a protein

monomerization by a domain duplication. Structure, 10 (12), 1637-1648 (2002)

S. Watanabe, N. Yamaoka, N. Fukunaga and Y. Takada: Purification and

 characterization of a cold-adapted isocitrate lyase, and expression analysis of the

 cold-inducible isocitrate lyase gene from a psychrophilic bacterium, Colwellia

 psychrerythraea. Extremophiles, 6: 397-405 (2002)

S. Watanabe, N. Yamaoka, Y. Takada and N. Fukunaga: The cold-inducible icl gene encoding thermolabile isocitrate lyase of a psychrophilic bacterium, Colwellia maris. Microbiology, 148: 2579-2589 (2002)

M. Tsuba, C. Katagiri, Y. Takeuchi, Y. Takada and N. Yamaoka: Chemical factors of

 the leaf surface involved in the morphogenesis of Blumeria graminis. Physiol. Mol.

 Plant Pathol., 60: 51-57 (2002)

K. Abe, E. Fujikawa, Y. Takeuchi, Y. Takada and N. Yamaoka: The possibility of

 factors other than phytoalexin accumulation preventing fungal growth in the

 incompatible interactions of soybean with Phytophthora megasperma f. sp.

 glycinea. Plant Pathol., 51: 237-241 (2002)

M. Iwamoto, Y. Takeuchi, Y. Takada and N. Yamaoka: Coleoptile surface cuticle of

 barley is involved in survival and penetration of Blumeria graminis. Physiol. Mol.

 Plant Pathol., 60: 31-38 (2002)

T. Sahara, Y. Takada, Y. Takeuchi, N. Yamaoka and N. Fukunaga: Cloning, sequencing, and expression of a gene encoding the monomeric isocitrate dehydrogenase of the

 nitrogen-fixing bacterium, Azotobacter vinelandii. Biosci. Biotech. Biochem., 66:

 489-500 (2002)

Y. Yasutake, S. Watanabe, M. Mao, Y. Takada, N. Fukunaga and I. Tanaka:

 Crystallization and preliminary X-ray diffraction studies of monomeric isocitrate

dehydrogenase by the MAD method using Mn atoms. Acta Cryst., D57: 1682-1685

(2001)

S. Watanabe, Y. Takada and N. Fukunaga: Purification and characterization of a

 cold-adapted isocitrate lyase and a malate synthase from Colwellia maris, a

 psychrophilic bacterium. Biosci. Biotech. Biochem., 65: 1095-1103 (2001)

N. Yamaoka, S. Yoshida, E. Motoyama, Y. Takeuchi, Y. Takada and N. Fukunaga:

   Resistance induction in barley coleoptile cells by intracellular pH decline.

   Plant Cell Physiol., 41: 1321-1326 (2000)

T. Matsunaga, K. Iwagami, Y. Takada and N. Fukunaga: Na+-coupled energetics of a

 psychrotrophic bacterium isolated from Lake Vanda, Antarctica. Microb. Environ.,

 14: 139-149 (1999)

M. Chou, T. Matsunaga, Y. Takada and N. Fukunaga: NH4+ transport system of a

 psychrophilic marine bacterium, Vibrio sp. strain ABE-1. Extremophiles, 3: 89-95

 (1999)

T. Sahara, M. Suzuki, J. Tsuruha, Y. Takada and N. Fukunaga: cis-Acting elements

 responsible for low-temperature-inducible expression of the gene coding for the

 thermolabile isocitrate dehydrogenase isozyme of a psychrophilic bacterium, Vibrio

 sp. strain ABE-1. J. Bacteriol., 181: 2602-2611 (1999)

 

 

著書・総説・解説など(1997〜)

 

N. Fukunaga, T. Sahara and Y. Takada: Bacterial adaptation to low temperature:

 Implications for cold-inducible genes. J. Plant Res., 112: 263-272 (1999)