クライオ電子顕微鏡によるメラトニン受容体のシグナル伝達機構の解明

• Project/Area Number: 22KJ0604
• Project/Area Number (Other): 21J20897 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 48040:Medical biochemistry-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岡本 紘幸 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000); Fiscal Year 2023: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2022: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2021: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: Gタンパク質共役型受容体 / クライオ電子顕微鏡

Outline of Research at the Start

メラトニン受容体は、血中ホルモンであるメラトニンを受容し、睡眠の誘導など多様な生理現象を調節する。メラトニン受容体はその生理作用ゆえ、不眠症などの創薬標的として広く知られ、多数の薬剤が開発されてきた。近年、X線結晶構造解析によってメラトニン受容体の薬剤認識機構が解明されたが、結晶構造解析のために多数の変異が導入されたことなどから生体内の状態を反映しているとは言えず、メラトニン受容体の関与するシグナル伝達機構の包括的な理解は十分とは言えない。
本研究ではクライオ電子顕微鏡を用いることで、メラトニン受容体によるシグナル伝達機構を包括的に理解することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

共同研究を実施していたRalf Jockers博士（フランス・Institut Cochin）と大石篤郎博士（杏林大・医）らから、MT1サブタイプ選択的にGsシグナルが生じる報告を受け、この構造基盤を解明すべくMT1-Gsシグナル伝達複合体の構造解析をクライオ電子顕微鏡を用いて実施した。平均分解能3.0Åで密度マップの取得に成功し、過去に報告したMT1-Gi 複合体の立体構造（Okamoto et al., Nat. Struct. Mol. Biol., 2021）と異なる結合様式でMT1とGsが結合していた。
さらにこれまで報告されてきた他のクラスAのGPCRとGsとの複合体とも結合様式が異なっており、TM3とICL2のみを介して相互作用を形成し、ほぼ全てのGs複合体で観察されている高度に保存された受容体のArgとGsのC末端領域のTyr391との相互作用が観察されなかった。
さらに同じ条件ではGsシグナルが確認されなかったMT2サブタイプについて、TM5からTM6までの領域をMT1のアミノ酸配列に置換したところ、Gsシグナルが確認され（Jockers博士と大石博士との共同研究）、クライオ電子顕微鏡による構造解析の結果、平均分解能3.0Åで密度マップを取得した。MT1-Gs複合体と比較すると、全体構造において大きな違いは見られず、別グループから報告されていたMT2-Gi複合体（Wang et al., Nature Commun., 2022）と比較しても全体構造に大きな違いは見られなかった。そのため、フレキシビリティが高く密度が観測されなかったICL3がサブタイプ選択的なGs共役を制御している、という仮説を立てており、ICL3のダイナミクスを計測するような生物物理学研究の展開を計画している。
また、一連の研究成果をまとめ、国際学術誌に現在投稿準備中である。

Research Products

• [Journal Article] Melatonin receptor structure and signaling (2024)
  • Author(s): Okamoto Hiroyuki H.、Cecon Erika、Nureki Osamu、Rivara Silvia、Jockers Ralf
  • Journal Title: Journal of Pineal Research Volume: 76 Issue: 3
  • DOI: 10.1111/jpi.12952
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural insights into the agonist selectivity and structure-based engineering of the adenosine A3 receptor (2024)
  • Author(s): Oshima Hidetaka S.、Ogawa Akiko、Sano Fumiya K.、Akasaka Hiroaki、Kawakami Tomoyoshi、Okaomto Hiroyuki H.、Iwama Aika、Nagiri Chisae、Wei Fan-Yan、Shihoya Wataru、Nureki Osamu
  • Journal Title: bioRxiv Volume: none
  • DOI: 10.1101/2024.03.23.586386
  • Open Access
• [Journal Article] Structural basis for lysophosphatidylserine recognition by GPR34 (2024)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Class B1 GPCR activation by an intracellular agonist (2023)
  • Author(s): Kobayashi Kazuhiro、Kawakami Kouki、Kusakizako Tsukasa、Tomita Atsuhiro、Nishimura Michihiro、Sawada Kazuhiro、Okamoto Hiroyuki H.、Hiratsuka Suzune、Nakamura Gaku、Kuwabara Riku、Noda Hiroshi、Muramatsu Hiroyasu、Shimizu Masaru、Taguchi Tomohiko、Inoue Asuka、Murata Takeshi、Nureki Osamu
  • Journal Title: Nature Volume: 618 Issue: 7967 Pages: 1085-1093
  • DOI: 10.1038/s41586-023-06169-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural Basis for Activation Mechanism of MT₁ (2022)
  • Author(s): OKAMOTO Hiroyuki、NUREKI Osamu
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 62 Issue: 6 Pages: 341-344
  • DOI: 10.2142/biophys.62.341
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
• [Journal Article] Cryo-EM structure of the human MT1-Gi signaling complex. (2021)
  • Author(s): Okamoto, H. H., Miyauchi, H., Inoue, A., Raimondi, F., Tsujimoto, H., Kusakizako, T., Shihoya, W., Yamashita, K., Suno, R., Nomura, N., Kobayashi, T., Iwata, S., Nishizawa, T. and Nureki, O.
  • Journal Title: Nat. Struct. Mol. Biol. Volume: 28 Issue: 8 Pages: 694-701
  • DOI: 10.1038/s41594-021-00634-1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural basis of gating modulation of Kv4 channel complexes. (2021)
  • Author(s): Kise Y, Kasuya G, Okamoto HH, Yamanouchi D, Kobayashi K, Kusakizako T, Nishizawa T, Nakajo K, Nureki O.
  • Journal Title: Nature Volume: 599 Issue: 7883 Pages: 158-164
  • DOI: 10.1038/s41586-021-03935-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Cryo-EM structure of a signaling melatonin receptor and G protein complex (2023)
  • Author(s): Hiroyuki Okamoto
  • Organizer: GPCR Workshop 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] クライオ電子顕微鏡によるヒト由来メラトニン受容体シグナル伝達複合体の立体構造解析 (2022)
  • Author(s): 岡本紘幸, 宮内弘剛, 井上飛鳥, Francesco Raimondi, 辻本浩一, 草木迫司, 志甫谷渉, 山下恵太郎, 寿野良二, 野村紀通, 小林拓也, 岩田想, 西澤知宏, 濡木理
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] クライオ電子顕微鏡によるヒト由来メラトニン受容体シグナル伝達複合体の立体構造解析 (2022)
  • Author(s): 岡本紘幸, 宮内弘剛, 井上飛鳥, Francesco Raimondi, 辻本浩一, 草木迫司, 志甫谷渉, 山下恵太郎, 寿野良二, 野村紀通, 小林拓也, 岩田想, 西澤知宏, 濡木理
  • Organizer: 第17回 GPCR研究会
• [Presentation] Cryo-EM structure of the MT1-Gi signaling complex (2022)
  • Author(s): Hiroyuki Okamoto, Hirotake Miyauchi, Asuka Inoue, Francesco Raimondi, Tsukasa Kusakizako, Wataru Shihoya, Keitaro Yamashita, Norimichi Nomura, So Iwata, Tomohiro Nishizawa, Osamu Nureki
  • Organizer: 第95回日本薬理学会年会
• [Presentation] Cryo-EM structure of the MT1-Gi signaling complex (2021)
  • Author(s): Hiroyuki Okamoto, Hirotake Miyauchi, Asuka Inoue, Francesco Raimondi, Tsukasa Kusakizako, Wataru Shihoya, Keitaro Yamashita, Norimichi Nomura, So Iwata, Tomohiro Nishizawa, Osamu Nureki
  • Organizer: CBI学会2021年大会
• [Presentation] ヒトメラトニン受容体シグナル伝達複合体のクライオ電子顕微鏡による単粒子解析 (2021)
  • Author(s): 岡本紘幸, 宮内弘剛, 井上飛鳥, Francesco Raimondi, 辻本浩一, 草木迫司, 志甫谷渉, 山下恵太郎, 寿野良二, 野村紀通, 小林拓也, 岩田想, 西澤知宏, 濡木理
  • Organizer: 第94回日本生化学大会