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Structural basis for K+-selective binding of Na+,K+-ATPase

Research Project

Project/Area Number 21K06109
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 43040:Biophysics-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

Kanai Ryuta  東京大学, 定量生命科学研究所, 特任講師 (50598472)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywordsイオンポンプ / 膜蛋白質 / X線結晶構造解析 / クライオ電顕 / Na+,K+-ATPase / 能動輸送 / K+選択性 / クライオ電顕単粒子解析 / 電子顕微鏡単粒子解析 / イオン選択性
Outline of Research at the Start

Na+,K+-ATPaseのK+選択的結合機構の解明を目指して、K+結合過程の中間体構造を決定する。この過程ではK+結合とともに細胞外側ゲートが閉じること、脱燐酸化反応の開始の2つのイベントが連動している。10年以上前にK+結合状態の1つ(E2.Pi.2K+状態)の結晶構造が明らかになっているが、その後、K+結合に関するNa+,K+-ATPaseの構造解析はほとんどなく、その仕組みはよく分かっていない。そこで、本課題では2個のK+が結合する過程をX線結晶構造解析、電子顕微鏡による単粒子解析によって明らかにし、K+選択的結合とそれらのイベントがどのようにカップリングしているのかを解明する。

Outline of Final Research Achievements

Na+-pump (Na+,K+-ATPase) transports three Na+ ions from cytoplasm to external, and two K+ ions from external to cytoplasm across cell membrane with one ATP molecule hydrolyzed against ion concentration gradients. The aim of this study is to elucidate the K+-selective transporting mechanism at atomic level, how Na+-pump proceeds dephosphorylation and extracellular gate closing with K+-selective binding, and how it opens the cytoplasmic gate and releases K+ ions. Here, we determined most of three-dimensional structures of the intermediate states related in this process by X-ray crystallography and cryo-EM single particle analysis. These results enabled us to understand the K+-transporting mechanism in detail.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究はあらゆる動物細胞の物質輸送や神経の活動電位、浸透圧調節など様々な生命活動を支えているNa+ポンプ(Na+,K+-ATPase)の働きを原子レベルで明らかにすることを目的としている。今回の研究では、Na+ポンプはどのようにしてK+を細胞外から細胞内へ輸送しているのかを詳細に理解することができた。K+を輸送する過程は薬剤標的とされている一方、天然毒物の標的にもなっている。本研究は更なる薬剤の改良や天然毒物に対する新規薬剤開発を可能にするものである。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 4 results) Presentation (5 results)

  • [Journal Article] The role of the C-terminal tail region as a plug to regulate XKR8 lipid scramblase2024

    • Author(s)
      Sakuragi Takaharu、Kanai Ryuta、Otani Mayumi、Kikkawa Masahide、Toyoshima Chikashi、Nagata Shigekazu
    • Journal Title

      Journal of Biological Chemistry

      Volume: 300 Issue: 3 Pages: 105755-105755

    • DOI

      10.1016/j.jbc.2024.105755

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Crystal structures of Na+,K+‐ATPase reveal the mechanism that converts the K+‐bound form to Na+‐bound form and opens and closes the cytoplasmic gate2023

    • Author(s)
      Kanai Ryuta、Vilsen Bente、Cornelius Flemming、Toyoshima Chikashi
    • Journal Title

      FEBS Letters

      Volume: 597 Issue: 15 Pages: 1957-1976

    • DOI

      10.1002/1873-3468.14689

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Cryo‐electron microscopy of Na+,K+‐ATPase reveals how the extracellular gate locks in the E2・2K+ state2022

    • Author(s)
      Kanai Ryuta、Cornelius Flemming、Vilsen Bente、Toyoshima Chikashi
    • Journal Title

      FEBS Letters

      Volume: 596 Issue: 19 Pages: 2513-2524

    • DOI

      10.1002/1873-3468.14437

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] The tertiary structure of the human Xkr8-Basigin complex that scrambles phospholipids at plasma membranes2021

    • Author(s)
      Sakuragi Takaharu、Kanai Ryuta、Tsutsumi Akihisa、Narita Hirotaka、Onishi Eriko、Nishino Kohei、Miyazaki Takuya、Baba Takeshi、Kosako Hidetaka、Nakagawa Atsushi、Kikkawa Masahide、Toyoshima Chikashi、Nagata Shigekazu
    • Journal Title

      Nature Structural & Molecular Biology

      Volume: 28 Issue: 10 Pages: 825-834

    • DOI

      10.1038/s41594-021-00665-8

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Na+,K+-ATPaseのNa+選択性の構造的理解2023

    • Author(s)
      金井隆太、Bente Vilsen, Flemming Cornelius, 豊島近
    • Organizer
      第23回日本蛋白質科学会年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 陽チャネル化したNa+,K+-ATPaseの構造解析2023

    • Author(s)
      金井隆太、Bente Vilsen, Flemming Cornelius, 豊島近
    • Organizer
      第96回日本生化学会大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] パリトキシンを結合したNa+,K+-ATPaseの構造解析2022

    • Author(s)
      金井隆太、Bente Vilsen, Flemming Cornelius, 豊島近
    • Organizer
      第95回日本生化学会大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Na+,K+-ATPase と脂質二重膜と の相互作用 の結晶学的解析2022

    • Author(s)
      金井隆太、Bente Vilsen, Flemming Cornelius, 豊島近
    • Organizer
      第 22 回日本蛋白質科学会年会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Na+を結合した非燐酸化状態のNa+,K+-ATPaseの 結晶構造解析2021

    • Author(s)
      金井隆太、Bente Vilsen, Flemming Cornelius, 豊島近
    • Organizer
      第94回日本生化学会大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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