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新規リポソーム再構成法による膜電位、膜張力依存的イオンチャネルの作動機構の解明

Research Project

Project/Area Number 22K19263
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

木瀬 孔明  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任准教授 (70769611)

Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Keywordsイオンチャネル / リポソーム
Outline of Research at the Start

脂質二重膜から構成された生体膜に存在し、膜電位や膜張力変化によって制御されるイオンチャネルは、脱分極や機械的な物理刺激を受けることによって特異的なイオンを膜の内外へ選択的に通し、電気活動や細胞内シグナル伝達、膜内外のイオン組成の維持に寄与する。
本研究では、申請者独自の新規リポソーム再構成法とクライオ電子顕微鏡を組み合わせることによって、既存の技術では不可能であった電位、膜張力依存性イオンチャネルの静止膜電位下、膜張力のかかった状態での構造を解明し、それらのチャネルの開閉(ゲーティングgating)機構の理解を目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、申請者独自の新規リポソーム再構成法とクライオ電子顕微鏡を組み合わせることによって、既存の技術では不可能であった電位、膜張力依存性イオンチャネルの静止膜電位下、膜張力のかかった状態での構造を解明し、それらのチャネルの開閉(ゲーティング)機構の理解を目的とする。
脂質二重膜から構成された生体膜に存在し、膜電位や膜張力変化によって制御されるイオンチャネルは、脱分極や機械的な物理刺激を受けることによって特異的なイオンを膜の内外へ選択的に通し、電気活動や細胞内シグナル伝達、膜内外のイオン組成の維持に寄与する。
電位依存性イオンチャネルの構造はクライオ電子顕微鏡によって多数明らかにされてきたが、膜領域が界面活性剤かナノディスクで覆われた状態であるため、膜電位 0 mVの状態を捉えているに過ぎない。静止膜電位条件下での構造を明らかにするために我々は、電位依存性イオンチャネルをリポソームに再構成し内外のイオン組成を調節することで静止膜電位を作り出す新規技術を開発している。
リポソーム再構成効率を上げる条件の検討を行うにあたって大量のタンパク質量を確保できる点から、バクテリアの電位依存性ナトリウムチャネルNavAbを用いた。リポソームをソ二ケーション、凍結再融解法にて生成する方法を樹立した。均一の膜曲率を持ったリポソームを作製するために、extruderを用いて、リポソームの径を揃える工夫をした。さらに、グリッドの氷にリポソームを効率よく閉じ込めるための方法を見出した。現在は、次なる段階としてリポソーム内外の電位差を作るために、イオノフォアとイオン組成の条件を検討している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

イオンチャネルをリポソームに再構成し、クライオ電子顕微鏡用のグリッドサンプル調製法を開発することができた。

Strategy for Future Research Activity

電位依存性イオンチャネルのリポソーム再構成に際して、イオノフォアとイオン組成の条件を検討し、リポソーム内外の電位差を作る。膜張力依存的イオンチャネルにも着手する。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 6 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 2 results) Book (2 results)

  • [Int'l Joint Research] The University of British Columbia(カナダ)

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  • [Int'l Joint Research] Vilnius University(リトアニア)

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  • [Journal Article] Structure of full-length ERGIC-53 in complex with MCFD2 for cargo transport2024

    • Author(s)
      Watanabe Satoshi、Kise Yoshiaki、Yonezawa Kento、Inoue Mariko、Shimizu Nobutaka、Nureki Osamu、Inaba Kenji
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 15 Issue: 1 Pages: 2404-2404

    • DOI

      10.1038/s41467-024-46747-1

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  • [Journal Article] Structural basis for lysophosphatidylserine recognition by GPR342024

    • Author(s)
      Izume Tamaki、Kawahara Ryo、Uwamizu Akiharu、Chen Luying、Yaginuma Shun、Omi Jumpei、Kawana Hiroki、Hou Fengjue、Sano Fumiya K.、Tanaka Tatsuki、Kobayashi Kazuhiro、Okamoto Hiroyuki H.、Kise Yoshiaki、Ohwada Tomohiko、Aoki Junken、Shihoya Wataru、Nureki Osamu
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 15 Issue: 1 Pages: 902-902

    • DOI

      10.1038/s41467-024-45046-z

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  • [Journal Article] Dual allosteric modulation of voltage and calcium sensitivities of the Slo1-LRRC channel complex2023

    • Author(s)
      Yamanouchi Daichi、Kasuya Go、Nakajo Koichi、Kise Yoshiaki、Nureki Osamu
    • Journal Title

      Molecular Cell

      Volume: 83 Issue: 24 Pages: 4555-4569.e4

    • DOI

      10.1016/j.molcel.2023.11.005

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  • [Journal Article] An AsCas12f-based compact genome-editing tool derived by deep mutational scanning and structural analysis2023

    • Author(s)
      Hino Tomohiro、Omura Satoshi N.、Nakagawa Ryoya、Togashi Tomoki、Takeda Satoru N.、Hiramoto Takafumi、Tasaka Satoshi、Hirano Hisato、Tokuyama Takeshi、Uosaki Hideki、Ishiguro Soh、Kagieva Madina、Yamano Hiroyuki、Ozaki Yuki、Motooka Daisuke、Mori Hideto、Kirita Yuhei、Kise Yoshiaki et al.
    • Journal Title

      Cell

      Volume: 186 Issue: 22 Pages: 4920-4935

    • DOI

      10.1016/j.cell.2023.08.031

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  • [Journal Article] Mechanistic and evolutionary insights into a type V-M CRISPR?Cas effector enzyme2023

    • Author(s)
      Omura Satoshi N.、Nakagawa Ryoya、S?dfeld Christian、Villegas Warren Ricardo、Wu Wen Y.、Hirano Hisato、Laffeber Charlie、Kusakizako Tsukasa、Kise Yoshiaki、Lebbink Joyce H. G.、Itoh Yuzuru、van der Oost John、Nureki Osamu
    • Journal Title

      Nature Structural and Molecular Biology

      Volume: 30 Issue: 8 Pages: 1172-1182

    • DOI

      10.1038/s41594-023-01042-3

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  • [Journal Article] Cryo-EM structure of the transposon-associated TnpB enzyme2023

    • Author(s)
      Nakagawa Ryoya、Hirano Hisato、Omura Satoshi N.、Nety Suchita、Kannan Soumya、Altae-Tran Han、Yao Xiao、Sakaguchi Yuriko、Ohira Takayuki、Wu Wen Y.、Nakayama Hiroshi、Shuto Yutaro、Tanaka Tatsuki、Sano Fumiya K.、Kusakizako Tsukasa、Kise Yoshiaki et al.
    • Journal Title

      Nature

      Volume: 616 Issue: 7956 Pages: 390-397

    • DOI

      10.1038/s41586-023-05933-9

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] クライオ電子顕微鏡によるイオンチャネル複合体の作動機構の理解と創薬への試み2023

    • Author(s)
      木瀬 孔明
    • Organizer
      2023年度 日本薬理学会西南部会
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    • Author(s)
      木瀬 孔明
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      INGEM & ToMMoセミナーシリーズ第28回
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  • [Presentation] Dual allosteric modulation of voltage and calcium sensitivities of the Slo1-LRRC channel complex2023

    • Author(s)
      Yamanouchi D, Kasuya G, Nakajo K, Kise Y, Nureki O
    • Organizer
      Structure, Function, and Dynamics Conference, 2023
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  • [Presentation] Structural study of SARS-CoV2 RdRp- aptamer complex2023

    • Author(s)
      Shin Mukai, Chieko Harada, Kazuhiro Sawada, Yoshiaki Kise, Osamu Nureki
    • Organizer
      Structure, Function, and Dynamics Conference, 2023
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Structural basis of modulation of Kv4 channel complexes2022

    • Author(s)
      Kise Y, Kasuya G, Okamoto H, Yamanouchi D, Kobayashi K, Kusakizako T, Nishizawa T, Nureki O
    • Organizer
      Ion Channels Gordon Research Conferences
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  • [Presentation] Structural basis for dual allosteric gating modulation of subunit complex2022

    • Author(s)
      Yamanouchi D, Kasuya G, Nakajo K, Kise Y, Nureki O
    • Organizer
      Ion Channels Gordon Research Conferences
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    • Int'l Joint Research
  • [Book] クライオ電子顕微鏡ハンドブック Kv4電位依存性カリウムチャネル複合体におけるゲート開閉制御機構2023

    • Author(s)
      木瀬 孔明 濡木 理
    • Total Pages
      427
    • Publisher
      エヌ・ティー・エス出版
    • ISBN
      4860438043
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  • [Book] クライオ電子顕微鏡ハンドブック“Kv4電位依存性カリウムチャネル複合体におけるゲート開閉制御機構”2023

    • Author(s)
      木瀬孔明、濡木理
    • Total Pages
      427
    • Publisher
      エヌ・ティー・エス
    • Related Report
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Published: 2022-07-05   Modified: 2024-12-25  

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