イオンチャネル巨大複合体のモジュレーション機構

• Project/Area Number: 23K23819
• Project/Area Number (Other): 22H02555 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43020:Structural biochemistry-related
• Research Institution: The 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): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2024: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: イオンチャネル

Outline of Research at the Start

神経細胞や筋細胞の電気活動に必須の役割を果たすイオンチャネルの多くは、多様な制御サブユニットと巨大複合体を形成し、機能の調節（モジュレーション）を受けて生理的機能を獲得する。そのため、制御サブユニットの遺伝子変異はヒトの脳機能や心臓の疾患に関わる。本研究は、イオンチャネル巨大複合体の多様なモジュレーション機構を、クライオ電子顕微鏡によるイオンチャネル複合体の立体構造解析と電気生理学を用いて解明することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

神経細胞や筋細胞の電気活動に必須の役割を果たすイオンチャネルの多くは、多様な制御サブユニットと巨大複合体を形成し、機能の調節（モジュレーション）を受けて生理的機能を獲得する。そのため、制御サブユニットの遺伝子変異はヒトの脳機能や心臓の疾患に関わる。本研究は、イオンチャネル巨大複合体の多様なモジュレーション機構を、クライオ電子顕微鏡によるイオンチャネル複合体の立体構造解析と電気生理学を用いて解明することを目的とする。
Slo1のγサブユニットによる制御機構を解明するため、カルシウム存在下でのヒト由来野生型Slo1とγ1との複合体構造をクライオ電子顕微鏡で分解能3.2Åで決定した。γ１サブユニットが、膜ドメインとの相互作用によってSlo1の電位依存性を、細胞内相互作用によってカルシウム依存性を同時に制御することが示唆された。次に、γ1がカルシウム非依存的にRCK1のコンフォメーションを活性化型に変化させるのかについて検証するために、RCK1のカルシウム結合部位に変異を導入したSlo1変異体（Slo1(RCK1)）を作成し、Slo1(RCK1)単体、および γ1との複合体構造をそれぞれ分解能3.7Å、4.1Åで決定した。両者の構造を比較した結果、γ1依存的（複合体構造でのみ）、かつカルシウム非依存的に、RCK1が活性化型コンフォメーションを取りS6ゲートが開構造を取ることが明らかになり、上述のモデルをさらにサポートする結果が得られた。さらにγ1のArgクラスターの変異体とSlo1(RCK1)変異体との複合体構造を決定することで、γ1のArgクラスターがSlo1カルシウム依存性のモジュレーターであることを検証した。最後に、Slo1-γ1相互作用に重要なアミノ酸残基に変異を導入し、電気生理解析からモジュレーションの効果を検証し、構造と機能の相関を裏付け、論文に発表した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

Slo1のγサブユニットによる制御機構を解明するため、ヒト由来野生型および変異型Slo1とγ1との複合体構造をクライオ電子顕微鏡で決定した。Slo1-γ1相互作用に重要なアミノ酸残基に変異を導入し、電気生理解析からモジュレーションの効果を検証し、構造と機能の相関を裏付け、論文に発表した。

Strategy for Future Research Activity

電位-pH依存性Slo3とLRRCサブユニットの複合体をはじめとした、イオンチャネル複合体構造解析に取り組む。

Research Products

• [Int'l Joint Research] The University of British Columbia(カナダ)
• [Int'l Joint Research] Vilnius University(リトアニア)
• [Int'l Joint Research] Wageningen University(オランダ)
• [Journal Article] Structure of full-length ERGIC-53 in complex with MCFD2 for cargo transport (2024)
  • 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
  • Peer Reviewed / 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] Dual allosteric modulation of voltage and calcium sensitivities of the Slo1-LRRC channel complex (2023)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An AsCas12f-based compact genome-editing tool derived by deep mutational scanning and structural analysis (2023)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mechanistic and evolutionary insights into a type V-M CRISPR?Cas effector enzyme (2023)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cryo-EM structure of the transposon-associated TnpB enzyme (2023)
  • 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
  • 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
  • Invited
• [Presentation] クライオ電子顕微鏡を用いたイオンチャネル複合体の作動機構解明と創薬への試み (2023)
  • Author(s): 木瀬 孔明
  • Organizer: INGEM ＆ ToMMoセミナーシリーズ第28回
  • Invited
• [Presentation] Dual allosteric modulation of voltage and calcium sensitivities of the Slo1-LRRC channel complex (2023)
  • Author(s): Yamanouchi D, Kasuya G, Nakajo K, Kise Y, Nureki O
  • Organizer: Structure, Function, and Dynamics Conference, 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural study of SARS-CoV2 RdRp- aptamer complex (2023)
  • Author(s): Shin Mukai, Chieko Harada, Kazuhiro Sawada, Yoshiaki Kise, Osamu Nureki
  • Organizer: Structure, Function, and Dynamics Conference, 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電位依存性カリウムチャネル複合体の制御機構 (2022)
  • Author(s): 木瀬 孔明
  • Organizer: 2022年度BINDSユニット連携講習会
  • Invited
• [Presentation] Structural basis of modulation of Kv4 channel complexes (2022)
  • Author(s): Kise Y, Kasuya G, Okamoto H, Yamanouchi D, Kobayashi K, Kusakizako T, Nishizawa T, Nureki O
  • Organizer: Ion Channels Gordon Research Conferences, 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural basis for dual allosteric gating modulation of subunit complex (2022)
  • Author(s): Yamanouchi D, Kasuya G, Nakajo K, Kise Y, Nureki O
  • Organizer: Ion Channels Gordon Research Conferences, 2022
  • 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