小胞体で合成された分泌経路を通る新生タンパク質は，N-結合型糖鎖の付加といった翻訳後修飾を受けた後，輸送小胞に乗せられて送り出される．これらのタンパク質(積み荷)の選別は，糖タンパク質輸送受容体によって行われていることが明らかになりつつある．本研究では，糖タンパク質輸送受容体(Emp46p，Emp47p)の糖鎖認識機構および糖タンパク質の輸送機構を明らかにすることを目的として，糖鎖認識ドメイン(CRD）単体およびそれらの金属結合体の結晶構造解析を行った．その結果，Emp46pおよびEmp47pは，同様の機能を担うカルシウム依存性ERGIC-53とは異なり，新しいカルシウム非依存性の糖タンパク質輸送受容体であることが明らかになった．糖タンパク質の輸送について新たな知見を与えた点で学術的価値は極めて高い．

HNK-1糖鎖抗原は，神経系に存在する細胞接着因子や糖脂質に特徴的に発現し，神経系で重要な役割を果たしている．我々は，HNK-1糖鎖の生合成に必須なグルクロン酸転移酵素GlcAT-PおよびGlcAT-SのＸ線結晶構造解析を行った．その結果，他のグルクロン酸転移酵素では保存されていないアミノ酸が，受容体基質の分子識別を行っている機構を明らかにした．また，構造解析に基づいて作成した変異体は，GlcAT-PおよびGlcAT-Sの基質特異性を変換させることに成功した．どのような機構でHNK-1糖鎖の合成が行われているかを構造生物学的に明らかにした点で学術的価値が高いと共に，最終的には記憶や学習と糖鎖との関連を明らかにする研究の礎となるものである．

オートファジーとは，細胞質の一部をオートファゴソームと呼ばれるオルガネラで取り囲み，分解コンパートメントである液胞/リソソームへと輸送し，分解を行うシステムである．出芽酵母では，少なくとも16種類のAtg蛋白質群がオートファゴソームの形成に関わっていることがわかっているが，実際にどのような働きで形成されるのか，その分子機構についてはよくわかっていない．我々はAtg蛋白質群の三次元構造を網羅的にかつ様々な複合体として解析し，これら機能未知蛋白質群が互いにどのように連携を取り合って，オートファゴソームの形成に働いているのかを解明することを試みている．複数の種由来のAtgタンパク質を用いることで，現在までにAtg3，Atg4，Atg5，Atg8，Atg12，Atg16N末端領域の結晶構造の決定に成功した．現在それぞれの因子について構造に基づいた機能解析を進めている．オートファジーは抗原提示や神経変性疾患との関連も示されており，今後医学的にも重要な意義を持つものである．図はシステインプロテアーゼAtg4のヒトホモログ(HsAtg4B)の構造を示す．活性部位はループにより自己阻害されており，その活性が厳密に制御されている．

母体と胎児の接点である胎盤では免疫系の働きを抑える特殊な免疫寛容システムが存在する．胎盤の栄養膜細胞にはHLA-Gと呼ばれる細胞表面抗原が特異的に発現し，母体側の免疫細胞はHLA-Gに対する抑制性レセプター(LILRなど)を発現するため，胎盤では免疫寛容が誘導される．本研究では，HLA-Gが通常のモノマー型以外にダイマー型を有することに着目し，その機能解析を行った．HLA-Gはダイマー化により抑制性LILR群を介するシグナル伝達が100倍程度増強されることを見出した．さらに，HLA-Gダイマーの立体構造解析に成功し，HLA-Gがダイマー化によりLILRの細胞内ドメインが近接し，シグナルが増強される構造であることがわかり，機能解析を裏付ける結果であった．これらの結果はHLA-Gダイマーが免疫抑制タンパク製剤として応用可能であることを示すもので，特許申請を行った．

hnRNP Dタンパク質はテロメア配列のDNAに特異的に結合し，またテロメラーゼとも直接結合する．このためテロメアDNA長の制御への関与が示唆されており，老化・癌化とも関連している可能性がある．
　本研究ではhnRNP Dタンパク質とテロメアDNAの複合体の構造を決定し，1本鎖状態のテロメアDNAがhnRNP Dによって特異的に認識されるメカニズムを解明した．またテロメアDNAは元々は4重鎖構造を形成しており，この構造がhnRNP Dによって１本鎖構造に遷移することも見出した．hnRNP D及び類縁のhnRNP A1タンパク質によるDNAの４重鎖から１本鎖への構造変換によって，DNAの複製の円滑な進行が保障されていることを，生化学的に示した．さらにこの構造変換が，テロメア長の伸長の保障にも寄与していることを示唆する細胞生物学的な結果も得つつある．hnRNP Dの働きを抑えることでテロメア長の短小化を引き起こし，癌に対する治療法につながることが期待される．

SUMO (Small ubiquitin like modifier)はユビキチン類似蛋白質の一つであり，ユビキチン化とよく似た一連の酵素反応により標的蛋白質のリジン残基を翻訳後修飾する．配列上は，SUMO-1はユビキチン(Ub)と18%の相同性しか示さないが，Ubに類似した立体構造を有している．SUMOは標的蛋白質の核輸送，転写制御，染色体分離など様々な核内現象に関与している．遺伝子修復酵素ヒトTDGは，単体では酵素のターンオーバー速度が極めて遅いため，効率よく遺伝子を修復し得ないが，SUMO化によりDNAから解離しやすくなって見かけの酵素活性があがる．そのメカニズムは長らく未知であったが，本研究により，SUMOと共有結合したTDGの結晶構造を解析することで，機構が解明された．すなわち，TDGには共有結合部位のほかにもう一箇所SUMOと分子間βシートを形成する部位が存在し，その二箇所に挟まれたTDGのループ部分に新しいヘリックス構造が誘起され，これがTDGに結合したDNAを押し出すアームとして機能する．このような翻訳後修飾にともなう構造の誘起の機構の発見は世界最初である．

大腸菌に代表される真正細菌は，アミノ酸欠乏条件下でタンパク質合成反応を抑制しアミノ酸プールの減少を抑える調節因子・トキシン/アンチトキシン(RelE/RelB)を有している．即ち，遺伝子relBEはオペロンを形成し，relEはトキシン(RelE)を，relBはRelEの阻害タンパク質・アンチトキシン(RelB)をコードしている．通常，RelBはRelEと複合体(RelB-RelE)を形成することによりRelEの毒性を抑制している．しかし，アミノ酸欠乏下では細胞内プロテアーゼ・Lon等の細胞内プロテアーゼが活性化され，RelBのみが特異的に分解されることによりRelE が活性化される．その結果，RelEはリボソームのA部位に結合し，翻訳過程のmRNAを特異的に切断することによりタンパク質合成反応を抑制する．我々は，超好熱古細菌(Pyorococcus horikoshii)ゲノム中にrelB/relE相当遺伝子(PHS014/PHS013)を見出し，それらの大腸菌内での共発現後，組み換えタンパク質複合体(aRelB-aRelE)を分離精製した．さらに，精製したaRelB-aRelE複合体の結晶化に成功し，その結晶構造を2.3Åの分解能で決定した．その結果，aRelBは３本のαへリックスからなる伸びた構造を持つタンパク質で，aRelEは３本のαへリックスと５本のβストランドからなる球状タンパク質で，両タンパク質とも新規な構造を有していた．また，その結合様式はaRelBがaRelEの回りを取り囲むように複合体を形成していることを明らかにした．さらに，aRelEと伸長因子EF-Gとの構造比較から，aRelEがtRNAのアンチコドンループの分子擬態としてリボソームのA部位に結合することを強く示唆した．

RNAポリメラーゼは，DNAの遺伝情報を正確に読み取り，RNAを合成する重要なタンパク質である．緊縮調節と呼ばれる現象が知られており，細胞がアミノ酸の飢餓状態にさらされると，グアノシン4リン酸(ppGpp)と呼ぶ化学物質をつくり，RNAポリメラーゼの活性を制御し，特定の遺伝子の発現を抑制したり促進したりすることが分かっている．
　本研究では，ppGppとRNAポリメラーゼの複合体を結晶状態で得ることに成功し，その結晶構造を決定した．その結果，ppGppは，RNAポリメラーゼの活性中心の立体配置に影響を及ぼし，DNAとも直接相互作用することによって，ポリメラーゼの活性を制御していると考えられる．転写反応とその制御に関わるメカニズムが原子レベルで解明されたことは，遺伝情報の伝達の仕組みを解する上で重要な知見を与えるだけでなく，効果の高い抗生物質の開発も可能にすると期待できる．

GenXは真正細菌のみに存在し，タンパク3000において構造解析を行った当時は機能が不明であった．配列はアミノアシルtRNA合成酵素（aaRS）のひとつであるLysRSに似ているが，アミノ酸であるリジンをtRNAに結合させるアミノアシル化活性は無いことが知られていた．その後，ターゲットタンパク研究プログラムにおけるGenXとEF-Pについての生化学的な実験により，EF-PがGenXの基質であることが発見された．また，GenX・EF-P複合体の立体構造にも成功し，その構造がaaRS・tRNA複合体の構造と酷似していることが判明した．さらに，aaRSがtRNAにアミノ酸を結合させる際と酷似した方法で，GenXがEF-Pへとアミノ酸を結合させていることを解明した．

リボソーム30Sサブユニット（分子量約90万）は，メッセンジャーRNA（mRNA）に転写された遺伝情報を正確に読み取る役割があり，約1,500塩基のリボソームRNA（16S rRNA）と22個のリボソームタンパク質で構成されている．このサブユニットの成熟過程で重要な役割を果たしているタンパク質の一つがRbfAだが，RbfAの結合部位や結合の様式，またその役割の詳細については不明であった．
　本研究では，高度好熱菌Thermus thermophilus HB8由来のRbfAの結晶構造を決定し，さらに30S-RbfA複合体の超低温電子顕微鏡像を得ることに成功した．この一連の解析から，16S rRNAが大きな構造変化を起こしていることが判明し，複合体の結晶構造から，世界で初めてRbfAの詳細な結合部位が解明された．決定した構造から，RbfAはmRNAとtRNAの結合部位を占有するだけでなく，16S rRNAの柔軟性を利用してその高次構造を操作することにより，未成熟30Sサブユニットが翻訳を開始しないように制御していることが明らかとなった．

翻訳伸長因子（Elongation Factor: EF）とは，ポリペプチド鎖（タンパク質）が伸長するときに触媒として作用するタンパク質であり，EF-Gは，GTP加水分解酵素である．X線結晶構造解析の結果，GTPが結合したEF-Gのスイッチ領域を含む全長構造の決定に初めて成功した．さらに，X線結晶構造解析から得られた精密な構造情報を電子顕微鏡像にモデリングし，GTPを結合したEF-Gとリボソームの相互作用について詳しい解析を行った．解析の結果，リボソーム30SサブユニットとEF-Gの相互作用を新たに発見し，EF-Gがリボソームの助けを借りて活性型になることを解明した．

グルタミルtRNA合成酵素(GluRS)とtRNAとの複合体の詳細な比較から，RNAに依存したアミノ酸認識のメカニズムが明らかになった．（1）RNAの結合によってGluRSに構造変化が引き起こされ，結合ポケットの再配置が行われる．（2）RNAの一部が直接グルタミン酸の認識に関わっており，タンパク質と協調して特異的な結合ポケットをかたちづくっていた．RNAとタンパク質が一体となることによってはじめて特異的なアミノ酸認識が達成され，アミノ酸とtRNAの正確な対応づけが可能になるメカニズムが理解された．本研究の成果は，アミノアシルtRNA合成酵素（aaRS）による厳密な基質認識機構を解明し，遺伝暗号翻訳のメカニズムの一端を明らかにしただけでなく，タンパク質とRNAが協調的にはたらくようすを原子レベルの構造から説明した重要なモデルケースである．GluRSのように機能の一部をRNAに依存しているaaRSは，GluRSを含めて3種類しかない．これは生命の起源においてRNA（ないしRNP）がタンパク質合成の主役をつとめていたことの痕跡ととらえることもでき，RNA（やRNP）から多彩な機能をもったタンパク質へと分子の役割が移り変わってきた道筋を考えるうえでも重要な知見となる．

カスガマイシンは，奈良市の春日大社で発見・単離された放線菌が産生する抗生物質で，カビや微生物には効力がありながら，動植物や人体には毒性が低く，農業分野で広く利用されている．リボソーム30Sサブユニットにカスガマイシンが結合した複合体の結晶構造を高分解能で決定したところ，従来予想されていた結合様式とは異なっていることが判明した．2分子のカスガマイシンが30Sサブユニット上のmRNAが結合する部位を占有しており，生化学的な実験の結果とあわせて，カスガマイシンは，tRNAではなくmRNAと30Sサブユニットの相互作用を妨げることにより「翻訳」の開始過程を阻害することを初めて明らかにした．
　この作用機序は，これまで明らかにされてきた抗生物質のリボソームでのはたらきとは異なる新規なメカニズムであり，この立体構造解析に基づいた新規薬剤開発が進むと，抗がん剤などの医療用抗生物質創製や農業などの産業応用に結びつくことが期待される．さらに，さまざまな生物のリボソームの構造機能解析を進めることにより，生物種を問わず保存されている部位に結合するカスガマイシンが，動植物に対して毒性が低く，カビや微生物にのみ有効である理由を解明できる可能性が示唆された．

ロイシルtRNA合成酵素(LeuRS)は数千回に一回の割合でイソロイシンという，ロイシンによく似たアミノ酸を誤って認識してしまい，ロイシン用tRNAに結合させてしまう．このときLeuRSの「校正反応ドメイン」が「エラー除去装置」としてはたらき，ロイシン用tRNAに誤って結合したイソロイシンを切り離す．LeuRSがロイシン用tRNAと結合した状態での複合体立体構造を決定した結果，LeuRSは「C末端ドメイン」と呼ばれる部分で，ロイシン用tRNAに特徴的な突き出た長い「可変アーム」の先端を認識していることが分かった．またtRNAの結合の仕方が微妙に異なる2つの複合体構造を明らかにすることができ，これらの2つの状態間では，tRNA中の「認識決定部位」が動いており，異なる様子でLeuRS に結合していた．認識決定部位の動きが，誤って結合したイソロイシンが校正反応ドメインへと運ばれるのかどうかを決めるスイッチとなっており，エラーが起きたときのみこのスイッチがOFFからONに切り替わり，LeuRSはエラーを除去装置へと運ぶモードに切り替わることが明らかになった．
　観測された原子構造をもとに，LeuRSとロイシン用tRNAの結合様式を邪魔するような化合物を設計することができれば，それは生物の遺伝暗号表を破綻させることによりはたらく新規の抗生物質として有用となる．またLeuRSのアミノ酸やtRNAの結合部分を人工的にデザインすれば，新しい遺伝暗号表を構築して新規のアミノ酸をタンパク質に導入することも可能である．

細菌内では，アラーモン（警告物質）と呼ばれるグアノシン4リン酸（ppGpp）がRNAポリメラーゼ(RNAP)の活性中心近傍に結合し，DNA の遺伝情報をRNAへ転写する転写反応を制御する．本研究では，DksAというタンパク質がppGppに依存する転写調節に重要な役割を果たしていることを明らかにした．
　大腸菌由来のDksAタンパク質の結晶構造を決定したところ，球状ドメインとコイルドコイルドメインの2つのドメインからなっており，コイルドコイルドメインを形成する2つのα-へリックスの連結部にはアスパラギン酸残基が2つ存在していた．この構造は，RNAポリメラーゼのRNA分解反応を促進する因子「GreA」に類似していた．DksAのコイルドコイルドメインはRNAPの基質侵入孔に入り，ppGppに結合しているマグネシウムイオンとDksAのアスパラギン酸残基とが結合し，ppGpp?RNAP複合体を安定化させていると考えられる．DksAが（GreAとは作用機序が異なるものの）転写伸長反応に影響を及ぼすこと，転写開始反応に対するppGppの効果を増大させること，及び，RNAPに直接結合することによってアスパラギン酸残基がRNAPの活性中心近傍に位置することを生化学的解析によって裏付けた．アスパラギン酸残基を他の残基へ置換した変異DksAには，それらの効果が認められない．
　本研究成果は，RNAPの基質侵入孔が複数の転写因子による制御作用のための大事な孔であることを示唆する．転写調節因子に関するタンパク質の解明という学術的な貢献の他，今後の新たな創薬開発に大きく寄与すると考えられる．

生命の生存に必須であり，遺伝暗号の翻訳過程において重要な因子であるとされながらも，機能や構造の多くの点で謎につつまれたタンパク質である翻訳伸長因子P (EF-P: Elongation Factor P)の立体構造を決定した．EF-Pは3つのドメインからできており，全体の構造はL字型で，トランスファーRNA(tRNA)に酷似していることが明らかになった．本研究で明らかになったEF-Pの立体構造は，翻訳因子はその分子構造をtRNAに擬態させているという“tRNA 擬態”と名付けられた概念を強く支持している．タンパク質であるEF-Pが核酸であるtRNA様の立体構造を模倣することにより，共通の分子基盤をもち，tRNAによって司られている役割（例：遺伝暗号の翻訳など）を果たすのではないかと考えられる．これまでに多くの抗生物質が翻訳過程をターゲットにして作られていることから，本研究の成果が今後の新たな創薬開発に寄与することが期待される．

相同DNA組換え反応において中心的な役割を果たすDmc1の立体構造を決定した. 解析の結果から，Dmc1は，8個のユニットが規則的に円状に並んでリング構造を形成し，さらにそのリング同士が重なって16個のユニットからなる巨大なダブルリング構造をしていることが明らかになった．そして解明された立体構造に基づいた生化学的解析によってDmc1による相同DNA組換え作用機構の解明を試みた．本成果によって，今まで不明であった減数分裂期の相同DNA組換え分子機構の核心部分が明らかになった．Dmc1は，相同DNA組換えに非常に重要なタンパク質であり，本研究成果を利用して細胞内でのDNA組換え効率を人為的に増進させることが可能になれば，今後，染色体上での遺伝子治療の基礎技術など，医療や産業の分野に大きく貢献することが期待される．

アーケオシンtRNAグアニントランスグリコシラーゼ(ArcTGT)は，古細菌tRNAの修飾塩基であるアーケオシン(7-formamidino-7-deazaguanosine)のtRNAへの導入に関わる修飾酵素である．ArcTGTの標的サイトはtRNAのコア構造に埋もれており，通常のL字型状態のtRNAコアの構造では，ArcTGTは標的サイトにアクセスすることが出来ない．従って，ArcTGTは何らかの構造変化を起こしたtRNAに結合し，修飾塩基を導入していると考えられていたが，具体的なメカニズムは不明であった．
　本研究ではArcTGT・tRNA複合体の X線結晶構造解析の結果，ArcTGTは大きく構造変化を起こしたtRNAに結合するとともに，tRNAが修飾の標的部分が露出するように組み変わった「ラムダ（λ）型」構造をとっていることを明らかにした．また，tRNAがL字型に折り畳まっていく段階では，このラムダ型が特に重要であることが明らかになった．本研究で解明された，転移RNAの構造が完成していく仕組みは，このようにさらに複雑なRNAが折り畳んでいく過程への理解への基盤になると考えられる．

ショウジョウバエの肢の発生過程に働く転写因子間の相互の発現制御機構の解析により，Aristaless (Al) とClawless (Cll)が発現している最先端部でBar が発現しないのは，Al とCll が協調的に働いてBar の発現を抑制しているためであることが明らかになった．Al 単独や，Cll単独では認識 DNA 配列との結合力が極めて低いが，Al-Cll-DNAの三者が共存する条件では強いDNA 結合活性を示す．このような特徴的な結合力の調節を担う構造学的な特徴を明らかにするために，Al と Cll およびそのヒトホモログ CART1(Al ホモログ)，Hox11L1(Cll ホモログ) と認識DNA との三者複合体立体構造解析を行い，それぞれの立体構造を決定した．

真正細菌や古細菌ではグルタミンをグルタミン用のtRNAに結合させる酵素が存在しない．しかし，グルタミン酸をtRNAに結合させる酵素が，本来の相手ではないグルタミン用のtRNAに結合させる機能を持つ．グルタミン酸がグルタミン用のtRNAに結合したところで，真正細菌ではGatCAB，古細菌ではGatDEという酵素がはたらく．これらの酵素は，グルタミン酸にアンモニアを付け加えてグルタミンに変換する．つまり，グルタミンをそのまま結合させることはできないので，一度グルタミン酸を結合させてから変換し，正しい組み合わせにするわけである．
　GatCAB, GatDEそれぞれの構造を解析することにより，グルタミン酸とアンモニアを反応させるしくみが明らかになった．この成果は，新しいアミノ酸を人工的にタンパク質に組み込む技術の開発につながると考えられる．

DNAの鎖の上にはタンパク質をつくるための遺伝子がとびとびに並んでおり，細胞がタンパク質をつくるためには，まず遺伝子の部分を見分けて，その部分をもとにmRNAをつくらなければならない．これが転写である．遺伝子の少し手前には，転写を始めるための目印となる部分が存在している．
　この目印に結合するのが，基本転写因子というタンパク質である．このタンパク質は何種類もあり，次々にDNAに結合して複合体をつくる．転写を行うのはRNAポリメラーゼという酵素だが，基本転写因子が，転写を開始する位置にRNAポリメラーゼを引き寄せたり，DNAの二重らせんを開いて転写を始められるようにしたりしている．
　基本転写因子の一つであるTFIIEαというタンパク質の構造をNMRによって解析し，複合体形成に重要な部分の構造を決定した．この構造の一部のアミノ酸を変えることにより，もとのタンパク質よりも作用の強いタンパク質をつくることにも成功した．これらは，細胞の重要な活動であるタンパク質生成の初期段階のメカニズムの解明に大きく貢献する成果である．

細胞の中では，つねにダイナミックな活動が行われている．細胞の重要な活動の一つとして，ものの輸送がある．細胞内には，膜で包まれたさまざまな小器官があり，それらの間でもののやりとりが活発に行われる．
　その際，運ばれるものも，膜に包まれた状態で細胞内を移動する．まちがいなく運ぶために，膜の外には積み荷に応じた荷札のタンパク質が突き出しており，別のタンパク質がこの荷札を見分け，積み荷を目的の場所へと運んでいく．
　このような運搬人の機能をもつタンパク質の一つとして，GGAが知られている．細胞の中には，ゴルジ体という，平べったい袋が積み重なったような小器官があり，その端がくびれきれるようにして，積み荷の入った袋ができる．GGAがこの積み荷をリソソーム(不要になったものを分解する小器官)まで運ぶ．
　GGAは3つの部分からなり，それぞれの部分が別々のタンパク質と作用することで，積み荷が目的の場所まで運ばれるようにしている．3つの部分のそれぞれについて構造を決定することにより，まちがいのない物質輸送のメカニズムが明らかとなってきた．この成果は，細胞の活動を探る上でも，細胞内での輸送異常が原因の病気の治療薬開発においても，貢献すると期待される．