新生タンパク質は、分子シャペロンをはじめとする種々の因子によって、正しい構造へとフォールディングされて機能を発揮できるようになる。しかしながら、種々のストレスや遺伝子変異などによってミスフォールドタンパク質が生成されると、これを再生ないしは分解処理する必要が生じる。このような機構をタンパク質の品質管理機構と呼ぶが、タンパク質品質管理機構に破綻をきたすと、細胞内、オルガネラ内にタンパク質凝集体が生じ、アルツハイマー病をはじめとする神経変性疾患などの病態を惹起する。ユビキチン・プロテアソーム系およびオートファジー経路による、これらタンパク質の品質管理の分子機構を明らかにし、オルガネラおよび細胞の恒常性維持機構の解明を目指す。

1. Sugihara M., Morito D., Ainuki S., Hirano Y., Ogino K., Kitamura A., Hirata H. & Nagata K. (2019)
   The AAA+ ATPase/ubiquitin ligase mysterin cytoplasmic lipid droplets
   J. Cell. Biol. 218(3):949-960
2. Hirayama S., Sugihara M., Morito D., Iemura S., Natsume T., Nagata K. (2018)
   Nuclear export of ubiquitinated proteins via the UBIN-POST system
   Proc. Natl. Acad. Sci. USA115(18):E4199-4208
3. Ito S., Ogawa K., Takeuchi K., Takagi M., Yoshida M., Hirokawa T., Hirayama S., Shin-Ya K., Shimada I., Doi T., Goshima N., Natsume T., Nagata K. (2017)
   A small-molecule compound inhibits a collagen-specific molecular chaperone and could represent a potential remedy for fibrosis
   J. Biol. Chem. 292:20076-20085
4. Ushioda, R., Miyamoto, A., Inoue, M., Watanabe, S., Okumura, M., Maegawa, K., Uegaki, K., Fujii, S., Fukuda, Y., Umitsu, M., Takagi, J., Inaba, K., Mikoshiba, K. and Nagata, K. (2016)
   Redox-assisted regulation of Ca2+ homeostasis in the endoplasmic reticulum by ERdj5.
   Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113(41):E6055–E6063
5. Ishikawa, Y., Ito, S., Nagata, K., Sakai, LY. and Bachinger, HP. (2016)
   Intracellular mechanisms of molecular recognition and sorting for transport of large extracellular matrix molecules.
   Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113(41): E6036–E6044
6. Morito, D. and Nagata, K. (2015)
   Pathogenic Hijacking of ER-Associated Degradation: Is ERAD Flexible ?
   Mol Cell. 59:335-344
7. Kirstein-Miles, J., Morito, D., Kakihana, T., Sugihara, M., Minnen, A., Hipp, S.M., Nussbaum-Krammer, C., Hartl, U.F., Nagata, K. and Morimoto, R.I. (2015)
   Proteotoxic stress and ageing triggers the loss of redox homeostasis across cellular compartments.
   EMBO J. 34(18):2334-2349
8. Olszak, T., Neves, J.F., Dowds, C.M., Baker, K., Glickman, J., Davidson, N.O., Lin, C-S., Jobin, C., Brand, S., Sotlar, K., Wada, K., Katayama, K., Nakajima, A., Mizuguchi, H., Kawasaki, K., Nagata, K., Müller, W., Snapper, S.B., Schreiber, S., Kaser, A., Zeissig, S. and Blumberg, R.S (2014)
   Protective mucosal immunity mediated by epithelial CD1d and IL-10.
   Nature 509:497-502
9. Araki, A., Iemura, S., Kamiya, Y., Ron, D., Kato, K., Natsume, T. and Nagata, K. (2013)
   Ero1α and PDIs constitute a hierarchical electron transfer network of endoplasmic reticulum oxidoreductases.
   J. Cell. Biol. 202(6):861-874
10. Hagiwara, M., Maegawa, K., Suzuki, M., Ushioda, R., Araki, K., Matsumoto, Y., Hoseki, J., Nagata, K. and Inaba, K. (2011)
    Structural basis of an ERAD pathway mediated by the ER-resident protein disulfide reductase ERdj5
    Mol. Cell 41(4):432-444
11. Ushioda, R., Hoseki, J., Araki, K., Jansen, G., Thomas, D.Y. and Nagata, K. (2008)
    ERdj5 is required as a disulfide reductase for degradation of misfolded proteins in the ER.
    Science 321(5888):569-572

真核生物の細胞内には膜で仕切られたオルガネラ構造が発達している。オルガネラは固有のタンパク質群を備え、それらがオルガネラ固有の機能を実現すると共に、細胞内および細胞外環境からの要請に応答することで、細胞レベルの恒常性を維持している。オルガネラを構成するタンパク質が、どのようにオルガネラに移行し、オルガネラ内の適切な区画に仕分けられ、どのように機能構造を獲得し、複合体を形成するのか、さらにはオルガネラタンパク質が外部からの要請に従ってどのようにオルガネラ自身の量と膜構造の変換を制御するのかを解明しようとしている。

1. Sakaue H, Shiota T, Ishizaka N, Kawano S, Tamura Y, Tan KS, Imai K, Motono C, Hirokawa T, Taki K, Miyata N, Kuge O, Lithgow T, and Endo T. (2019)
   Porin associates with Tom22 to regulate the mitochondrial protein gate assembly.
   Mol Cell. 73, 1044-1055.
2. Kawano S., Tamura Y., Kojima R., Bala S., Asai E., Michel A. H., Kornmann B., Riezman I., Riezman H., Sakae Y., Okamoto Y., and Endo T. (2018)
   Structure-function insights into direct lipid transfer between membranes by Mmm1-Mdm12 of ERMES.
   J.Cell Biol. 217, 959-974.
3. Shiota, T., Imai, K., Qiu, J., Hewitt, V.L., Tan, K., Shen, H., Sakiyama, N., Fukasawa, Y., Hayat, S., Kamiya, M., Elofsson, A., Tomii, K., Horton, P., Wiedemann, N., Pfanner, N.,
   Lithgow, T., and Endo, T. (2015)
   Molecular architecture of the active mitochondrial protein gate.
   Science 349, 1544-1548.
4. Watanabe, Y., Tamura, Y., Kawano, S., and Endo, T. (2015)
   Structural and mechanistic insights into phospholipid transfer by Ups1–Mdm35 in mitochondria .
   Nature Commun. 6, 7922
5. Koyano, F., Okatsu, K., Kosako, H., Tamura, Y., Go, E., Kimura, M., Kimura, Y., Tsuchiya, H., Yoshihara, H., Hirokawa, T., Endo, T., Fon, E.A., Trempe, J.F., Saeki, Y., Tanaka, K., and Matsuda, N. (2014)
   Ubiquitin is phosphorylated by PINK1 to activate parkin.
   Nature 510, 162-166
6. Tamura, Y., Harada, Y., Nishikawa, S., Yamano, K., Kamiya, M., Shiota, T., Kuroda, T., Kuge, O., Sesaki, H., Imai, K., Tomii, K., and Endo, T. (2013)
   Tam41 is a CDP-diacylglycerol synthase required for cardiolipin biosynthesis in mitochondria.
   Cell Metab. 17, 709-718.

生命のエネルギー通貨であるATPは、主にミトコンドリアに存在するATP合成酵素により合成され、あらゆる生命現象のエネルギー源として使われる。一方、ATPは体内の色々な細胞や組織間の情報伝達に使われていることも知られている。このATPの意外な働きは、半世紀前から徐々に明らかにされてきたが、細胞内や細胞間でのATP動態の実態の解明は解決すべき問題として残されている。生命にとって最も重要な物質である ATPの動態をシステムと捉え（ATPシステム）、ATPシステムを担う膜タンパク質の構造を、クライオ電顕による構造解析で決定し、その構造的基盤を明らかにする。

1. Nakanishi A, Kishikawa J, Tamakoshi M, Mitsuoka K, & Yokoyama K. (2018)
   Cryo EM structure of intact rotary H+-ATPase/synthase from Thermus thermophiles
   Nat. Commun. 9, 02553-6
2. Baba M, Iwamoto K, Iino R, Ueno H, Hara M, Nakanishi A, Kishikawa J, Noji H, & Yokoyama K. (2016) 
   Rotation of artificial rotor axles in rotary molecular motors
   Proc. Natl. Acad. Sci. U S A  113, 11214-11219
3. Furuike S, Nakano M, Adachi K, Noji H, Kinosita K. Jr, & Yokoyama K. (2011)
   Resolving stepping rotation in Thermus thermophilus H+-ATPase/synthase with an essentially drag free probe
   Nat. Commun. 2, 233-239
4. Maher MJ, Akimoto S, Iwata M, Nagata K, Hori Y, Yoshida M, Yokoyama S, Iwata S, Yokoyama K. (2009)
   Crystal structure of A3B3 complex of V-ATPase from Thermus thermophilus.
   EMBO J. 28, 3771-3779
5. Jormakka  M, Yokoyama K., Yano T, Tamakoshi M, Akimoto S, Shimamura T, Curmi P, Iwata S. (2008)
   Molecular mechanism of energy conservation in polysulfide respiration.
   Nat. Struct. Mol. Biol.15:730-737.
6. Toei, H., Gerle, C., Nakano, N., Tani, K., Gyobu, N., Tamakoshi, M., Nobuhito Sone, N., Yoshida, M., Fujiyoshi, Y., Mitsuoka, K., and Yokoyama K.  (2007)  Dodecamer rotor ring defines H+/ATP ratio for ATP synthesis of prokaryotic V-ATPase from Thermus thermophilus.
   Proc Natl Acad Sci U S A., Vol. 103, P 20256 –20261

細菌は様々なタンパク毒素を用いて宿主細胞を攻撃する。毒素タンパク質の動態と機能を理解することは細菌感染症の阻害剤創薬の基礎となる。我々の研究室では、X線結晶構造解析を中心の手段として用いて、細菌感染症因子タンパク質の動態と機能の解明を目的として研究を進めている。二成分毒素はADPリボシル化酵素と膜に結合し多量体化して、酵素成分を細胞内に透過する膜結合成分からなる。すでに研究を進めているADPリボシル化酵素と宿主タンパク質との相互作用研究に加えて、酵素の膜結合成分を介した膜透過メカニズムを明らかにする。

1. Yoshida T. and Tsuge H. (2018)
   Substrate N2 atom recognition mechanism in pierisin family DNA-targeting, guanine-specific ADP-ribosyltransferase ScARP.
   J Biol Chem. 293(36):13768-774.
2. Tsuge H., Yoshida T. and Tsurumura T. (2015)
   Conformational plasticity is crucial for C3-RhoA complex formation by ARTT-loop.
   Pathog Dis. 73(9)
3. Toda A., Tsurumura T., Yoshida T., Tsumori Y. and Tsuge H. (2015)
   Rho GTPase Recognition by C3 Exoenzyme Based on C3-RhoA Complex
   Structure. J Biol Chem. 290(32):19423-32.
4. Kobayashi H, Yoshida T, Miyakawa T, Tashiro M, Okamoto K, Yamanaka H, Tanokura M,　Tsuge H.　(2015)　
   Structural Basis for Action of the External Chaperone for a Propeptide-deficient Serine Protease from Aeromonas sobria.
   J Biol Chem. 24; 290(17):11130-43.
5. Tsuge H. and Tsurumura T. (2015)
   Reaction Mechanism of Mono-ADP-Ribosyltransferase Based onStructures of the Complex of Enzyme and Substrate Protein.
   Curr Top Microbiol Immunol. 384:69-87.
6. Tsurumura T., Qiu H.,Tsumori Y., Oda M., Nagahama M., Sakurai J. and Tsuge H. (2013)
   Arginine ADP-ribosylation mechanism based on structural snapshots of iota-toxin and actin complex.
   Proc Natl Acad Sci U.S.A. 110(11):4267-4272.
7. Tsuge H., Nagahama M., Oda M., Iwamoto S., Utsunomiya H., Marquez VE., Katunuma N., Nishizawa M. and Sakurai J. (2008)
   Structural basis of actin recognition and arginine ADP-ribosylation by Clostridium perfringens iota toxin.
   Proc Natl Acad Sci U S A. 105(21):7399-404.
8. Tsuge H, Nagahama M, Nishimura H, Hisatsune J, Sakaguchi Y, Itogawa Y, Katunuma N, Sakurai J. (2003)
   Crystal structure and site-directed mutagenesis of enzymatic components from Clostridium perfringens iota-toxin.
   J Mol Biol. 325(3):471-83.

細胞の機能を担う実働部隊であるタンパク質は、細胞内では、リボソームと呼ばれるタンパク質合成工場で、遺伝情報をもとに合成される。タンパク質の合成は非常にダイナミックな過程であるが、合成途上の新生タンパク質の動的挙動が、おのおののタンパク質の成熟や局在化などの運命決定に関わることが分かりつつある。また、合成途上の新生タンパク質が主役を演じる細胞機能調節のメカニズムがいくつも見出されつつある。このような背景を受け、新生タンパク質の動態と、新生タンパク質の成熟や局在化、生理機能との関わりを解明する。

1. Fujiwara, K., Ito, K. and Chiba, S. (2018)
   MifM-instructed translation arrest involves nascent chain interactions with the exterior as well as the interior of the ribosome.
   Sci Rep. 8, 10311.
2. Sohmen, D., Chiba, S., Shimokawa-Chiba, N., Innis, A., Berninghausen, O., Beckmann, R., Ito, K. and Wilson, D. (2015)
   Structure of the Bacillus subtilis 70S ribosome reveals the basis for species-specific stalling.
   Nat. Commun. 6, 6941.
3. Shimokawa-Chiba, N., Kumazaki, K., Tsukazaki, T., Nureki, O., Ito, K. and Chiba, S. (2015)
   Hydrophilic microenvironment required for the channel-independent insertase function of YidC protein.
   Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 112, 5063-5068.
4. Kumazaki, K*., Chiba, S*., Takemoto, M., Furukawa, A., Nishiyama, K.I., Sugano, Y., Mori, T., Dohmae, N., Hirata, K., Nakada-Nakura, Y., Maturana, A.D., Tanaka, Y., Mori, H., Sugita, Y., Arisaka, F., Ito, K., Ishitani, R., Tsukazaki, T. and Nureki, O. (2014)
   Structural basis of Sec-independent membrane protein insertion by YidC.
   Nature, 509, 516-520.
5. Ito, K. and Chiba, S. (2013)
   Arrest peptides: cis-acting modulators of translation.
   Annu. Rev. Biochem. 82, 171-202.
6. Chiba, S. and Ito, K. (2012)
   Multisite ribosomal stalling: A unique mode of regulatory nascent chain action revealed for MifM.
   Mol. Cell 47, 863-872.
7. Chiba, S., Kanamori, T., Ueda, T., Akiyama, Y., Pogliano, K. and Ito, K. (2011)
   Recruitment of a species-specific translational arrest module to monitor different cellular processes.
   Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 108, 6073-6078.
8. Chiba, S., Lamsa, A. and Pogliano, K. (2009)
   A ribosome-nascent chain sensor of membrane protein biogenesis in Bacillus subtilis.
   EMBO J. 18, 3461-3475.

遺伝子から転写、翻訳、翻訳後修飾という過程を経て多様なタンパク質機能が発揮される結果、細胞を単位とした特定の細胞状態や機能が生まれ、その状態や機能が遺伝子を転写する核にフィードバックされる。更に、分泌タンパク質の作用によって細胞間シグナル伝達が行われ、そして細胞表面の受容体で受容されたシグナルが細胞内シグナル伝達に変換されて核に伝わり、新たな転写因子の遺伝子を活性化し、その状態を安定化したり、新たな状態への転換をもたらしたりする。このフィードバックシステムを担う、細胞間・細胞内シグナル伝達と、転写因子の作用機構を解明し、それらが組織をタンパク質の動態システムとして細胞・組織を成立させる原理を明らかにする。

1. Kondoh, H. (2018)
   Roles of ZIC2 in regulation of pluripotent stem cells.
   Adv Exp Med Biol. 1046, 339-351.
2. Matsuda, K., Mikami, T., Oki, S., Iida, .H, Andrabi, M., Boss, J.M., Yamaguchi, K., Shigenobu, S. and Kondoh, H. (2017)
   ChIP-seq analysis of genomic binding regions of five major transcription factors highlights a central role for ZIC2 in the mouse epiblast stem cell gene regulatory network.
   Development, 144, 1948-1958.
3. Takemoto, T., Abe, T., Kiyonari, H., Nakao, K., Furuta, Y., Suzuki, H., Takada, S., Fujimori, T. and Kondoh, H. (2016)
   R26-WntVis reporter mice showing graded response to Wnt signal levels.
   Genes Cells 21, 661-669.
4. Kondoh, H. and Lovell-Badge R. (2015)
   Sox2: Biology and Role in Development and Disease.
   Academic Press/Elsevier ISBN: 978-0-12-800352-7
5. Porazinski. S., Wang, H., Asaoka, Y., Behrndt, M., Miyamoto, T., Morita, H., Hata, S., Sasaki, T., Krens, S.F., Osada, Y., Asaka, S., Momoi, A., Linton, S., Miesfeld, J.B., Link, B.A., Senga, T., Castillo-Morales, A., Urrutia, A.O., Shimizu, N., Nagase, H., Matsuura, S., Bagby, S., Kondoh, H., Nishina, H., Heisenberg, C.P. and Furutani-Seiki, M. (2015)
   YAP is essential for tissue tension to ensure vertebrate 3D body shape.
   Nature 521, 217-221.
6. Morimura, H., Tanaka, S., Ishitobi, H., Mikami, T., Kamachi, Y., Kondoh, H. and Inouye, Y. (2013) Nano-analysis of DNA conformation changes induced by transcription factor complex binding using plasmonic nanodimers.
   ACS Nano 7, 10733-10740.
7. Kamachi, Y. and Kondoh, H. (2013)
   Sox proteins: regulators of cell fate specification and differentiation.
   Development 140, 4129-4144.
8. Iwafuchi-Doi, M., Matsuda, K., Murakami, K., Niwa, H., Tesar, P.J., Aruga, J., Matsuo, I. and Kondoh, H. (2012)
   Transcriptional regulatory networks in epiblast cells and during anterior neural plate development as modeled in epiblast stem cells.
   Development 139, 3926-3937.
9. Takemoto, T., Uchikawa, M., Yoshida, M., Bell, D.M., Lovell-Badge, R., Papaioannou, V.E. and Kondoh, H. (2011)
   Tbx6-dependent Sox2 regulation determines neural or mesodermal fate in axial stem cells.
   Nature 470, 394-398.