電位依存性イオンチャネルの機能構造と構造間遷移機構の解析による動作機構解明

• Project/Area Number: 21H02618
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 47020:Pharmaceutical analytical chemistry and physicochemistry-related
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 大澤 匡範 慶應義塾大学, 薬学部(芝共立), 教授 (60361606)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 横川 真梨子 慶應義塾大学, 薬学部(芝共立), 講師 (60648020)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2022: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2021: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
• Keywords: 電位依存性イオンチャネル / 機能構造 / 構造生物学 / 動作メカニズム / 機能発現メカニズム

Outline of Research at the Start

電位依存性イオンチャネル(VGIC)は、神経伝達や心臓の拍動を担う膜タンパク質であり、創薬の標的としても重要である。VGICは一般に、膜電位に応じた構造変化によりイオン透過ゲートを開閉し、特定のイオンを膜透過させることで膜電位を制御する。しかしながら、これまではその構造遷移メカニズムは不明であった。
そこで本研究では、リガンドの結合や化学修飾により未解明である機能構造を安定化して構造解析を実現可能とする手法を確立し、その立体構造をX線結晶構造解析あるいは電子顕微鏡により原子レベルで明らかにするとともに、NMRによりそれらの間の構造遷移を解析することにより、VGICの動作メカニズムを解明する。

Outline of Annual Research Achievements

電位依存性イオンチャネル(VGIC)は、膜電位に応じた特定イオンの膜透過を通じて膜電位を制御し、神経伝達や心臓の拍動を担う膜タンパク質であり、創薬の標的としても重要である。VGICは一般に、膜電位依存的に静止構造・透過性構造・不透過性構造の間を遷移することによりゲートを開閉し、特定のイオンを膜透過させることで膜電位を制御する。しかしながら、これまでに複数の機能構造が原子分解能で明らかになったVGICはなく、膜電位のかかった静止構造や一過的にしか存在しない構造、および、機能構造間の遷移メカニズムは未解明である。
そこで本研究では、化学修飾により未解明である機能構造を安定化する手法を確立し、それぞれの構造の意味を電気生理学的解析により解明するとともに、それらの立体構造をクライオ電子顕微鏡により原子レベルで明らかにすることを目的とする。
本研究では、膜電位依存的に形成される電位依存性K+チャネルKvAPの各機能構造を安定化するために、電位センサードメイン内の2か所にCys変異を導入し両者をSS結合で固定化する。これまでに25種類のダブルCys変異体を調製し、SS結合形成能を評価したところ、5変異体において膜電位非存在下であってもSS結合が形成されることを見出した。
そこで、これらの5変異体がどのような機能状態を反映した構造であるか、電気生理学的に調べるとともに、試料の大量調製法を確立し、電顕での立体構造解析および電気生理学的な性状解析を行った。
これまでに各変異体の大量調製を行い、電顕像を観察しつつ、高分解能での構造解析に適した試料条件（可溶化する界面活性剤の探索および再構成するナノディスクの脂質条件など）の最適化検討行った。その結果、複数の変異体について低分解能ながら立体構造解析に成功した。現在、これらの機能を調べるため、電気生理学的解析を進めている。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] AI-driven molecular generation of not-patented pharmaceutical compounds using world open patent data (2023)
  • Author(s): Shimizu Yugo、Ohta Masateru、Ishida Shoichi、Terayama Kei、Osawa Masanori、Honma Teruki、Ikeda Kazuyoshi
  • Journal Title: Journal of Cheminformatics Volume: 15 Issue: 1
  • DOI: 10.1186/s13321-023-00791-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] TDP‐43 N‐terminal domain dimerisation or spatial separation by RNA binding decreases its propensity to aggregate (2023)
  • Author(s): Miura Motoki、Sakaue Fumika、Matsuno Hirokazu、Morita Kento、Yoshida Akiko、Hara Rintaro Iwata、Nishimura Ren、Nishida Yurika、Yokogawa Mariko、Osawa Masanori、Yokota Takanori
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 597 Issue: 12 Pages: 1667-1676
  • DOI: 10.1002/1873-3468.14635
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Applying deep learning to iterative screening of medium-sized molecules for protein-protein interaction-targeted drug discovery (2023)
  • Author(s): Yugo Shimizu、Tomoki Yonezawa、Yu Bao、Junichi Sakamoto、Mariko Yokogawa、Toshio Furuya、Masanori Osawa、Kazuyoshi Ikeda
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 59 Issue: 44 Pages: 6722-6725
  • DOI: 10.1039/d3cc01283b
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] DLiP-PPI library: An integrated chemical database of small-to-medium-sized molecules targeting protein?protein interactions (2023)
  • Author(s): Ikeda Kazuyoshi、Maezawa Yuta、Yonezawa Tomoki、Shimizu Yugo、Tashiro Toshiyuki、Kanai Satoru、Sugaya Nobuyoshi、Masuda Yoshiaki、Inoue Naoko、Niimi Tatsuya、Masuya Keiichi、Mizuguchi Kenji、Furuya Toshio、Osawa Masanori
  • Journal Title: Frontiers in Chemistry Volume: 10 Pages: 1-9
  • DOI: 10.3389/fchem.2022.1090643
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Paip2A inhibits translation by competitively binding to the RNA recognition motifs of PABPC1 and promoting its dissociation from the poly(A) tail (2022)
  • Author(s): Takeru Sagae, Mariko Yokogawa, Ryoichi Sawazaki, Yuichiro Ishii, Nao Hosoda, Shin-Ichi Hoshino, Shunsuke Imai, Ichio Shimada, Masanori Osawa
  • Journal Title: J Biol Chem Volume: － Issue: 5 Pages: 101844-101844
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.101844
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Peptide Toxins Targeting KV Channels (2021)
  • Author(s): Matsumura Kazuki、Yokogawa Mariko、Osawa Masanori
  • Journal Title: Handb. Exp. Pharmacol. Volume: 267 Pages: 481-505
  • DOI: 10.1007/164_2021_500
  • ISBN: 9783030840518, 9783030840525
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comprehensive Approach of 19F Nuclear Magnetic Resonance, Enzymatic, and In Silico Methods for Site-Specific Hit Selection and Validation of Fragment Molecules that Inhibit Methionine γ-Lyase Activity (2021)
  • Author(s): Ikeda Kazuyoshi、Kezuka Yuichiro、Nonaka Takamasa、Yonezawa Tomoki、Osawa Masanori、Katoh Etsuko
  • Journal Title: Journal of Medicinal Chemistry Volume: 64 Issue: 19 Pages: 14299-14310
  • DOI: 10.1021/acs.jmedchem.1c00766
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of novel inhibitors of Keap1/Nrf2 by a promising method combining protein-protein interaction-oriented library and machine learning (2021)
  • Author(s): Shimizu Yugo、Yonezawa Tomoki、Sakamoto Junichi、Furuya Toshio、Osawa Masanori、Ikeda Kazuyoshi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 7420-7420
  • DOI: 10.1038/s41598-021-86616-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 14-3-3ζによる転写因子FOXO3aの阻害メカニズムの解明 (2023)
  • Author(s): 榎本翔太, 桑山知也, 中塚将一, 横川真梨子, 河津光作, 中村吏佐, 木村友美, 田辺幹雄, 千田俊哉, 齋藤潤, 佐谷秀行, 大澤匡範
  • Organizer: 第46回分子生物学会年会
• [Presentation] B-cell translocation gene 2 (BTG2) によるCaf1依存的なpoly(A)分解の促進機構の解明 (2023)
  • Author(s): 片岡奈緒, 横川真梨子, 石井裕一郎, 城えりか, 高嶋大翔, 沢崎綾一, 寒河江彪流, 尾上耕一, 星野真一, 大澤匡範
  • Organizer: 第46回分子生物学会年会
• [Presentation] タンパク質-タンパク質相互作用をターゲットとした感染阻害大環状物質の探索と構造活性相関解析 (2023)
  • Author(s): 米澤朋起, 清水祐吾, 池田和由, 山本雄一朗, 野口耕司, 酒井祥太, 深澤征義, 浅見仁太, 清水敏之, 大戸梅治, 横川真梨子, 大澤匡範
  • Organizer: 第51回構造活性相関シンポジウム
• [Presentation] 14-3-3ζによる転写因子FOXO3aの阻害メカニズムの解明 (2023)
  • Author(s): 榎本翔太, 桑山知也, 中塚将一, 横川真梨子, 河津光作, 中村吏佐, 木村友美, 田辺幹雄, 千田俊哉, 齋藤潤, 佐谷秀行，大澤匡範
  • Organizer: 第62回NMR討論会
• [Presentation] NMR解析により得られたKeap1-Nrf2のPPI阻害化合物のKeap1結合の構造基盤 (2023)
  • Author(s): 小島行人，石田英子，原田彩佳，米澤朋起，清水祐吾，池田和由，横川真梨子，大澤匡範
  • Organizer: 第62回NMR討論会
• [Presentation] hACE2に結合してSARS-CoV-2の侵入を阻害する化合物の創製 (2023)
  • Author(s): 横川真梨子，堀内まほろ，金一駿希，大竹帝河，米澤朋起，清水祐吾，池田和由，山本雄一朗，酒井祥太，野口耕司，深澤征義，大澤匡範
  • Organizer: 第62回NMR討論会
• [Presentation] SARS-CoV-2スパイクタンパク質に結合してSARS-CoV-2の侵入を阻害する化合物の創製 (2023)
  • Author(s): 金一駿希，横川真梨子，堀内まほろ，大竹帝河，米澤朋起，清水祐吾，池田和由，山本雄一朗，酒井祥太，野口耕司，深澤征義，大澤匡範
  • Organizer: 第62回NMR討論会
• [Presentation] Discovery of the middle-sized compounds inhibiting the SARS-CoV-2 viral entry, using in silico approach and NMR analysis (2023)
  • Author(s): Mariko YOKOGAWA, Mahoro HORIUCHI, Shunki KANEICHI, Taiga OTAKE, Tomoki YONEZAWA, Yugo SHIMIZU, Kazuyoshi IKEDA, Yuichiro YAMAMOTO, Shota SAKAI, Kohji NOGUCHI, Masayoshi FUKASAWA, Masanori OSAWA
  • Organizer: CBI学会2023年大会
• [Presentation] Structural basis of the inhibition of the Keap1-Nrf2 interaction by novel PPI inhibitors discovered by machine learning (2023)
  • Author(s): Kojima Koujin, Ishida Hanako, Harada Ayaka, Yonezawa Tomoki, Shimizu Yugo, Ikeda Kazuyoshi, Yokogawa Mariko, Osawa Masanori
  • Organizer: CBI学会2023年大会
• [Presentation] ALSの原因となるTDP-43の沈殿形成を抑制するRNAの探索 (2023)
  • Author(s): 西田優理華、西村錬、横川真梨子、坂上史佳、横田隆徳、大澤 匡範
  • Organizer: 第６７回日本薬学会関東支部大会
• [Presentation] HBV PreS1/NTCP相互作用を標的とした阻害剤簡易スクリーニング系の構築 (2023)
  • Author(s): 堀渕慶太, 入間田早瑛, 山本雄一朗, 横川真梨子, 清水祐吾, 米澤朋起, 池田和由, 浅見仁太,清水敏之, 大戸梅治, 深澤征義, 大澤匡範, 野口耕司
  • Organizer: 第６７回日本薬学会関東支部大会
• [Presentation] ALSの原因となるTDP-43沈殿を抑制するRNAの創製 (2023)
  • Author(s): 西村 錬, 西田 優理華, 横川 真梨子, 坂上 史佳, 横田 隆徳, 大澤 匡範
  • Organizer: 第20回次世代を担う若手のためのフィジカル・ファーマフォーラム (PPF2023)
• [Presentation] リン酸化および14-3-3ζの結合による転写因子FOXO3aの機能抑制機構の解明 (2023)
  • Author(s): 榎本 翔太, 桑山知也, 横川真梨子, 中塚将一, 河津光作, 中村吏佐, 木村友美, 齋藤潤, 佐谷秀行, 大澤匡範
  • Organizer: 第20回次世代を担う若手のためのフィジカル・ファーマフォーラム (PPF2023)
• [Presentation] NMRを活用したSARS-CoV-2スパイクタンパク質とhACE2の相互作用を標的とするSARS-CoV-2侵入阻害化合物の分子設計 (2023)
  • Author(s): 横川真梨子, 堀内まほろ, 金一駿希, 大竹帝河, 米澤朋起, 清水祐吾, 池田和由, 山本雄一朗, 酒井祥太, 野口耕司, 深澤征義, 大澤匡範
  • Organizer: 第23回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Paip2A inhibits translation by competitively binding to the RNA recognition motifs of poly(A)-binding protein C1 and promoting its dissociation from the poly(A) tail (2022)
  • Author(s): Takeru Sagae, Mariko Yokogawa, Ryoichi Sawazaki, Yuichiro Ishii, Nao Hosoda, Shin-ichi Hoshino, Shunsuke Imai, Ichio Shimada, Masanori Osawa
  • Organizer: International Council on Magnetic Resonance in Biological Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Paip2A inhibits translation by competitively binding to the RNA recognition motifs of poly(A)-binding protein C1 and promoting its dissociation from the poly(A) tail (2022)
  • Author(s): Masanori Osawa
  • Organizer: The 7th International Symposium on Drug Discovery and Design by NMR
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Paip2 competitively dissociates PABPC1 from poly(A) by accessing RRM2 of the poly(A)-bound PABPC1 (2022)
  • Author(s): Takeru Sagae, Mariko Yokogawa, Ryoichi Sawazaki, Yuichiro Ishii, Nao Hosoda, Shin-ichi Hoshino, Shunsuke Imai, Ichio Shimada, Masanori Osawa
  • Organizer: 日本蛋白質科学会学会年会
• [Presentation] Paip2A inhibits translation by competitively binding to the RNA recognition motifs of poly(A)-binding protein C1 and promoting its dissociation from the poly(A) tail (2022)
  • Author(s): 寒河江彪流，横川真梨子，沢崎綾一，石井裕一郎，細田直，星野真一，今井駿輔，嶋田一夫，大澤匡範
  • Organizer: 第61回NMR討論会
• [Presentation] NMRによるPPI 阻害化合物と標的タンパク質との相互作用の構造生物学的解析とドラッグデザイン (2022)
  • Author(s): 小島行人，清水祐吾，米澤朋起，池田和由，原田彩佳，横川真梨子，大澤匡範
  • Organizer: 第19回次世代を担う若手のためのフィジカル・ファーマフォーラム
• [Presentation] Paip2A inhibits translation by competitively binding to the RNA recognition motifs of poly(A)-binding protein C1 and promoting its dissociation from the poly(A) tail (2022)
  • Author(s): Takeru Sagae, Mariko Yokogawa, Ryoichi Sawazaki, Yuichiro Ishii, Nao Hosoda, Shin-ichi Hoshino, Shunsuke Imai, Ichio Shimada, Masanori Osawa
  • Organizer: 日本RNA学会年会
• [Presentation] PoSSuMds Update : Addition Of Clinical Candidates And COVID-19 Clinical Trials Information (2022)
  • Author(s): Tomoki Yonezawa, Yuko Tsuchiya, Masanori Osawa, Kentaro Tomii, Kazuyoshi Ikeda
  • Organizer: The Chem-Bio Informatics Society
• [Presentation] Structural insights into the inhibitory mechanism of transcription factor FOXO3a by 14-3-3ζ (2022)
  • Author(s): 桑山知也，中塚将一，横川真梨子，河津光作，中村吏佐，木村友美，田辺幹雄，千田俊哉，齋藤潤，佐谷秀行，大澤匡範
  • Organizer: 第61回NMR討論会
• [Presentation] ヴァーチャルライブラリーを用いたタンパク質-タンパク質阻害と膜透過性を考慮した中分子ライブラリー構築 (2022)
  • Author(s): 米澤朋起，大澤匡範，大田雅照，本間光貴，池田和由
  • Organizer: 第50回構造活性相関シンポジウム
• [Presentation] Oolonghomobisflavan CによるB型肝炎ウイルス阻害機構の解明 (2022)
  • Author(s): 石場智彬，横川真梨子，横田旭美，大澤匡範
  • Organizer: 日本薬学会 第143年会
• [Presentation] COVID-19の原因となるタンパク質-タンパク質相互作用を標的とする合成中分子阻害剤のインシリコスクリーニング (2022)
  • Author(s): 米澤朋起, 清水祐吾, 池田和由, 山本雄一朗, 野口耕司, 酒井祥太, 深澤征義, 横川真梨子, 大澤匡範
  • Organizer: 日本薬学会 第143年会
• [Presentation] NMRを活用したSARS-CoV-2スパイクタンパク質とhACE2の相互作用を標的とするSARS-CoV-2侵入阻害化合物の分子設計 (2022)
  • Author(s): 横川真梨子, 堀内まほろ, 金一駿希, 大竹帝河, 米澤朋起, 清水祐吾, 池田和由, 山本雄一朗, 酒井祥太, 野口耕司, 深澤征義, 大澤匡範
  • Organizer: 日本薬学会 第143年会
• [Presentation] 医薬品特許化合物データベースの構築とその構造発生への応用 (2022)
  • Author(s): 清水祐吾, 幸瞳, 大田雅照,本間光貴, 大澤匡範, 池田和由
  • Organizer: 日本薬学会 第143年会
• [Presentation] 新型コロナウイルスSARS-CoV-2スパイクタンパク質阻害剤の探索 (2022)
  • Author(s): 小林明日香, 祝部真澄, 山本雄一朗, 村江真奈, 清水芳実, 酒井祥太, 深澤征義, 米澤朋起, 清水祐吾, 池田和由, 横川真梨子, 大澤匡範, 野口耕司
  • Organizer: 第34回 微生物シンポジウム
• [Presentation] COVID-19の原因となるタンパク質-タンパク質相互作用を標的とする合成中分子阻害剤のin silico解析 (2022)
  • Author(s): 米澤 朋起、清水 祐吾、池田 和由、山本 雄一朗、野口 耕司、酒井 祥太、深澤 征義、横川 真梨子、大澤 匡範
  • Organizer: 日本薬学会第142年会
• [Presentation] 創薬プロセスにおいて創出される化合物の高速な特許性予測手法の開発 (2022)
  • Author(s): 清水祐吾、大澤匡範、池田和由、幸瞳、大田雅照、本間光貴
  • Organizer: 日本薬学会第142年会
• [Presentation] 新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) の原因PPIを標的とする合成中分子阻害剤の合理的設計プラットフォーム (2022)
  • Author(s): 大澤匡範
  • Organizer: 第5回 Translational and Regulatory Sciencesシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] AI・ケモインフォマティクス・構造生物学の連携による新規Protein-Protein Interaction(PPI)阻害化合物の探索 (2022)
  • Author(s): 大澤匡範
  • Organizer: 日本神経学会主催 産官学創薬スクール
  • Invited
• [Presentation] Gating-modifier toxin APETx1による電位依存性カリウムイオンチャネルhERG阻害機構の解析 (2021)
  • Author(s): 松村 一輝, 下村 拓史, 久保 義弘, 岡 貴之, 小林 直宏, 今井 駿輔, 簗瀬 尚美, 秋元 まどか, 福田 昌弘, 横川 真梨子, 池田 和由, 栗田 順一, 西村 善文, 嶋田一夫, 大澤匡範
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 分子内ジスルフィド結合による電位依存性K+チャネルの膜電位依存的構造変化機構の解明 (2021)
  • Author(s): 石川貴大、原田彩佳、横川真梨子、前田知輝、日向寺孝禎、藤田浩平、野崎智裕、嶋田一夫、大澤匡範
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] リン酸化および14-3-3ζによる転写因子FoxO3aの阻害メカニズムの解明 (2021)
  • Author(s): 中塚将一、桑山知也、横川真梨子、河津光作、中村吏佐、木村友美、田辺幹夫、千田俊哉、齋藤潤、佐谷秀行、大澤匡範
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Structural Mechanism of Translational Repression by PABP-interacting Protein 2 (2021)
  • Author(s): Takeru Sagae, Mariko Yokogawa, Ryoichi Sawazaki, Nao Hosoda, Shin-ichi Hoshino, Masanori Osawa
  • Organizer: ISMAR-APNMR-NMRSJ-SEST 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gating-modifier toxin APETx1による電位依存性カリウムイオンチャネルhERG阻害機構の解析 (2021)
  • Author(s): 大澤匡範
  • Organizer: 生理学研究所研究会「構造情報を基盤とした膜機能分子の生理機能理解に向けて」
  • Invited
• [Presentation] Gating-modifier toxin APETx1による電位依存性カリウムイオンチャネルhERG阻害機構の解析 (2021)
  • Author(s): 大澤匡範
  • Organizer: BINDS-PDBj講習会「PDBから見てわかるタンパク質の最新研究」
  • Invited
• [Presentation] 電位依存性K+チャネルの動作メカニズムとペプチドによる阻害メカニズム (2021)
  • Author(s): 大澤匡範
  • Organizer: 第28回日本血液代替物学会年次大会
  • Invited
• [Presentation] B-cell translocation gene 2 (BTG2)によるポリA分解促進機構の解明 (2021)
  • Author(s): 石井裕一郎、横川真梨子、城えりか、高嶋大翔、沢崎綾一、寒河江彪流、尾上耕一、星野真一、大澤匡範
  • Organizer: 日本生化学会大会
• [Presentation] リン酸化および14-3-3ζによる転写因子FOXO3aの阻害メカニズムの解明 (2021)
  • Author(s): 桑山知也、中塚将一、横川真梨子、河津光作、中村吏佐、木村友美、田辺幹夫、千田俊哉、齋藤潤、佐谷秀行、大澤匡範
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Remarks] 慶應義塾大学薬学部 生命機能物理学講座
  • URL: https://square.umin.ac.jp/keio-skb/index.html
• [Remarks] 生命機能物理学：研究：［慶應義塾大学薬学部・薬学研究科］
  • URL: https://www.pha.keio.ac.jp/research/mfp/index.html
• [Remarks] 慶應義塾大学薬学部 生命機能物理学講座
  • URL: http://square.umin.ac.jp/keio-skb/index.html