Elucidation of lipid-protein interaction which enhances the amyloid formation

• Project/Area Number: 19H02669
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: Otosu Takuhiro 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (90564948)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山口 祥一 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (60250239)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥15,600,000 (Direct Cost: ¥12,000,000、Indirect Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2019: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
• Keywords: 蛍光相関分光法 / 光退色後蛍光回復法 / 脂質二重層膜 / 蛍光寿命 / 分子拡散 / 脂質二重膜 / アミロイド

Outline of Research at the Start

蛋白質が凝集することで生じるアミロイドは，アルツハイマー病といった重篤な疾病の要因とされており，その形成機構に関する数多くの研究がなされている．これらの研究より蛋白質と脂質膜の相互作用によってアミロイド形成が促進されるとの知見が得られているが，その形成機構に関する分子論的理解は進んでいない．本研究では，近年開発がなされた２つの新規分光手法を初めてアミロイド研究に適用することで，①脂質膜上での蛋白質の構造ダイナミクスと蛋白質間相互作用の高時間分解能での解析，②蛋白質との相互作用による脂質膜の動態変化の微視的，巨視的な解析を行い，アミロイド形成初期過程における脂質膜の作用機構解明を目指す．

Outline of Final Research Achievements

In this project, we sought to develop new spectroscopic tools to quantitatively elucidate the amyloid formation enhanced by the presence of lipid bilayer. We then develop two fluorescence-based techniques during this project. One is called Fluorescence Lifetime Recovery After Photobleaching (FLRAP) which enables us to simultaneously analyze the molecular diffusion of multiple species having their intrinsic lifetime. Another one is the technique that analyzes the dynamical change of lipids during the period when the peripheral molecules attach on the lipid bilayer.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究期間で開発を行った2つの手法はアミロイド研究において重要とされる蛋白質―脂質間相互作用を定量的に解析する手法を提供するのみならず，膜融合過程など様々な生命現象の定量的解析において有用なツールになると期待される．その点において，本研究機関における成果は十分な学術的意義を有するものであると考える．

Research Products

• [Journal Article] Transferability of vibrational spectroscopicmap from TIP4P to TIP4P-like water models (2023)
  • Author(s): Tetsuyuki Takayama, Takuhiro Otosu, Shoichi Yamaguchi
  • Journal Title: J. Chem. Phys. Volume: 158 Issue: 13 Pages: 136101-136101
  • DOI: 10.1063/5.0146084
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental and Theoretical Heterodyne-Detected Sum Frequency Generation Spectroscopy of Isotopically Pure and Diluted Water Surfaces (2022)
  • Author(s): Shoichi Yamaguchi, Tetsuyuki Takayama, Yuki Goto, Takuhiro Otosu, Takuma Yagasaki
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 13 Issue: 41 Pages: 9649-9653
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c02533
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental and theoretical Raman spectroscopy of isotopically pure and diluted ice VI (2022)
  • Author(s): Tetsuyuki Takayama, Kota Kishi, Takuhiro Otosu, Takuma Yagasaki. Shoichi Yamaguchi
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 126 Issue: 40 Pages: 17359-17365
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c05133
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Leaflet-specific Lipid Diffusion Revealed by Fluorescence Lifetime Correlation Analyses (2020)
  • Author(s): Takuhiro Otosu and Shoichi Yamaguchi
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 49 Issue: 12 Pages: 1473-1480
  • DOI: 10.1246/cl.200539
  • NAID: 130007956010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of Electrostatic Interaction on the Leaflet-specific Lipid Diffusion in a Supported Lipid Bilayer Revealed by Fluorescence Lifetime Correlation Analysis (2020)
  • Author(s): Takuhiro Otosu and Shoichi Yamaguchi
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 22 Issue: 3 Pages: 1242-1249
  • DOI: 10.1039/c9cp05833h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reduction of Glass-surface Charge Density Slows the Lipid Diffusion in the Proximal Leaflet of a Supported Lipid Bilayer (2019)
  • Author(s): Takuhiro Otosu and Shoichi Yamaguchi
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 151 Issue: 2 Pages: 025102-025102
  • DOI: 10.1063/1.5103221
  • Peer Reviewed
• [Presentation] モデル細胞膜中における糖脂質拡散の分光学的研究 (2023)
  • Author(s): 武藤拓泉，山口祥一，乙須拓洋
  • Organizer: 第12回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] ポリリジン吸着による脂質膜物性変化の分光学的研究 (2023)
  • Author(s): 清水光星，山口祥一，乙須拓洋
  • Organizer: 第12回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] シクロデキストリンによるモデル細胞膜からのコレステロール引き抜きの分光学的研究 (2023)
  • Author(s): 有浦滉平，山口祥一，乙須拓洋
  • Organizer: 第12回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] 二次元蛍光寿命相関分光法によるDNA二重鎖形成ダイナミクスに与える分子混雑効果の解析 (2022)
  • Author(s): 三宅泰聖，坂口美幸，乙須拓洋，山口祥一
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] Fluorescence Lifetime Recovery After Photobleaching (FLRAP):Concept and application (2022)
  • Author(s): 森郁海，坂口美幸，山口祥一，乙須拓洋
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 蛍光分光法によるタンパク質‐脂質間相互作用の研究 (2020)
  • Author(s): 塚原克浩，山口祥一，乙須拓洋
  • Organizer: 第10回CSJ化学フェスタ2020
• [Presentation] カチオン性脂質が支持脂質二重膜中脂質の拡散特性に与える影響 (2019)
  • Author(s): 乙須 拓洋，山口 祥一
  • Organizer: 第13回分子科学討論会
• [Presentation] Leaflet-specific Lipid Diffusions in Supported Lipid Bilayers (2019)
  • Author(s): 乙須 拓洋，山口 祥一
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会