リポクオリティ依存的なGPCRのシグナル伝達の構造生物学的解明

• Project Area: Quality of lipids in biological systems
• Project/Area Number: 16H01353
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 幸福 裕 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 特任助教 (80737940)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000); Fiscal Year 2017: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2016: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: 脂質 / 膜タンパク質 / 構造生物学 / 核磁気共鳴法 / シグナル伝達 / 蛋白質 / 薬学 / 生物物理

Outline of Annual Research Achievements

平成28年度までに、アラキドン酸およびドコサヘキサエン酸を含むリン脂質中で、Gタンパク質共役型受容体の一種であるアデノシンA2A受容体の細胞内領域の構造が異なることを見出した。そこで、この構造の違いをより詳細に解析するために、核磁気共鳴（NMR）法を用いて、溶媒常磁性緩和促進効果を利用した、溶媒露出度の解析をおこなった。その結果、M232のメチル基の溶媒露出度は、アラキドン酸を含むリン脂質中と比較して、ドコサヘキサエン酸を含むリン脂質中では増大していた。このことは、ドコサヘキサエン酸を含むリン脂質中で第6膜貫通ヘリックスの回転角度が大きくなっていることを示している。以上の結果より、ドコサヘキサエン酸がアデノシンA2A受容体に特異的に相互作用することにより、第6膜貫通ヘリックスが回転した構造を安定化させることで、シグナル伝達活性を増大させる、という脂質依存的なシグナル制御の新たなメカニズムを提唱した。
当初の目的に加えて、脂質組成が重要なシグナル伝達である、Gタンパク質共役型受容体のリン酸化についても、そのメカニズムを解析した。β2アドレナリン受容体を、ナノディスクの脂質二重膜に再構成し、Gタンパク質共役型受容体キナーゼによるリン酸化をおこなった上で、NMR法により解析した。その結果、β2アドレナリン受容体のC末端領域がリン酸化されると、膜貫通領域と相互作用することで、膜貫通領域をアレスチンの結合に適した構造に変化させることがわかった（Shiraishi et al., Nat Commun, 2018）。本結果は、脂質二重膜中のGタンパク質共役型受容体を解析することで、初めて明らかになった現象であり、Gタンパク質共役型受容体のシグナル伝達における、脂質の重要性を示すものである。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ヘルシンキ大学生物工学研(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] 復旦大学(中国)
• [Journal Article] Deuteration and Selective Labeling of Alanine Methyl Groups of β 2-Adrenergic Receptor Expressed in a Baculovirus-Insect Cell Expression System (2018)
  • Author(s): Yutaka Kofuku, Tomoki Yokomizo, Shunsuke Imai, Yutaro Shiraishi, Mei Natsume, Hiroaki Itoh, Masayuki Inoue, Kunio Nakata, Shunsuke Igarashi, Hideyuki Yamaguchi, Toshimi Mizukoshi, Ei-Ichiro Suzuki, Takumi Ueda, Ichio Shimada
  • Journal Title: Journal of Biomolecular NMR Volume: 印刷中 Issue: 3 Pages: 185-192
  • DOI: 10.1007/s10858-018-0174-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phosphorylation-induced conformation of β2-adrenoceptor related to arrestin recruitment revealed by NMR (2018)
  • Author(s): Yutaro Shiraishi, Mei Natsume, Yutaka Kofuku, Shunsuke Imai, Kunio Nakata, Toshimi Mizukoshi, Takumi Ueda, Hideo Iwai, Ichio Shimada
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Issue: 1 Pages: 164-164
  • DOI: 10.1038/s41467-017-02632-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Utilization of paramagnetic relaxation enhancements for structural analysis of actin-binding proteins in complex with actin. (2016)
  • Author(s): Huang S, Umemoto R, Tamura Y, Kofuku Y, Uyeda TQP, Nishida N, Shimada I
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Issue: 1 Pages: 33690-33690
  • DOI: 10.1038/srep33690
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Conductance of P2X4 receptor is determined by conformational equilibrium in the transmembrane region (2016)
  • Author(s): Minato Y, Suzuki S , Hara T, Kofuku Y, Kasuya G, Fujiwara Y, Igarashi S, Suzuki E, Nureki O, Hattori M, Ueda T, Shimada I
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. Volume: 発行中 Issue: 17 Pages: 4741-4746
  • DOI: 10.1073/pnas.1600519113
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 昆虫細胞発現系におけるアラニン選択的安定同位体標識法の開発と脂質二重膜中のβ2-アドレナリン受容体への応用 (2018)
  • Author(s): 中田國夫、五十嵐俊介、幸福裕、上田卓見、白石勇太郎、夏目芽依、横溝智貴、今井俊輔、水越利巳、鈴木榮一郎、嶋田一夫
  • Organizer: 日本薬学会第138年会
• [Presentation] アラニン側鎖メチル基を観測対象としたβ2-アドレナリン受容体のシグナル伝達機構の解明 (2018)
  • Author(s): 横溝智貴、今井俊輔、幸福裕、上田卓見、白石勇太郎、夏目芽依、中田國夫、五十嵐俊介、水越利巳、鈴木榮一郎、嶋田一夫
  • Organizer: 日本薬学会第138年会
• [Presentation] β2アドレナリン受容体のリン酸化によるシグナル制御機構の解明 (2018)
  • Author(s): 夏目芽依、白石勇太郎、幸福裕、今井駿輔、中田國夫、水越利巳、上田卓見、岩井秀夫、嶋田一夫
  • Organizer: 日本薬学会第138年会
• [Presentation] 区分同位体標識を用いたβ2アドレナリン受容体のリン酸化によるシグナル制御機構の解明 (2018)
  • Author(s): 白石勇太郎、夏目芽依、幸福裕、今井駿輔、中田國夫、水越利巳、上田卓見、岩井秀夫、嶋田一夫
  • Organizer: 日本薬学会第138年会
• [Presentation] 動的構造に着目したGタンパク質共役型受容体の機能解明 (2017)
  • Author(s): 幸福裕、上田卓見、嶋田一夫
  • Organizer: 第61回日本薬学会関東支部大会
  • Invited
• [Presentation] Conductance of P2X4 purinergic receptor is determined by conformational equilibrium in the transmembrane region (2017)
  • Author(s): Takumi Ueda, Tomoaki Hara, Yuichi Minato, Shiho Suzuki, Yutaka Kofuku, Go Kasuya, Yuichiro Fujiwara, Shunsuke Igarashi, Ei-ichiro Suzuki, Osamu Nureki, Motoyuki Hattori, Ichio Shimada
  • Organizer: 58th Experimental Nuclear Magnetic Resonance Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Identification of a conformational equilibrium that determines the efficacy and functional selectivity of the μ-opioid receptor (2017)
  • Author(s): Yutaro Shiraishi, Junya Okude, Takumi Ueda, Yutaka Kofuku, Motohiko Sato, Naoyuki Nobuyama, Keita Kondo, Takuya Mizumura, Mei Natsume, Masahiro Maeda, Hideki Tsujishita, Takefumi Kuranaga, Masayuki Inoue, Ichio Shimada
  • Organizer: 58th Experimental Nuclear Magnetic Resonance Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional dynamics of deuterated β2-adrenergic receptor in lipid bilayers revealed by NMR spectroscopy (2017)
  • Author(s): Mei Natsume, Yutaka Kofuku, Takumi Ueda, Junya Okude, Yutaro Shiraishi, Keita Kondo, Takuya Mizumura, Shiho Suzuki, Ichio Shimada
  • Organizer: 58th Experimental Nuclear Magnetic Resonance Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞遊走因子、ケモカイン受容体の動的構造研究と創薬研究への展望 (2017)
  • Author(s): 幸福 裕
  • Organizer: 第87回日本衛生学会学術総会
  • Invited
• [Presentation] 昆虫細胞発現系における高度重水素標識を用いた脂質二重膜中のGタンパク質共役型受容体の動的構造解析 (2016)
  • Author(s): 幸福 裕、上田 卓見、奥出 順也、白石 勇太郎、近藤 啓太、水村 拓也、鈴木 志歩、嶋田 一夫
  • Organizer: 第55回NMR討論会
• [Presentation] Identification of a conformational equilibrium that determines the efficacy and functional selectivity of the μ-opioid receptor (2016)
  • Author(s): Junya Okude, Takumi Ueda, Yutaka Kofuku, Motohiko Sato, Naoyuki Nobuyama, Keita Kondo, Yutaro Shiraishi, Takuya Mizumura, Mei Natsume, Masahiro Maeda, Hideki Tsujishita, Takefumi Kuranaga, Masayuki Inoue, Ichio Shimada
  • Organizer: XXVIIth International Conference on Magnetic Resonance in Biological Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of an NMR reconstruction method to elucidate the CCR1- and CCR5-binding modes of MIP-1a (2016)
  • Author(s): Takumi Ueda, Chie Yoshiura, Yutaka Kofuku, Masahiko Matsumoto, Junya Okude, Keita Kondo, Yutaro Shiraishi, Koh Takeuchi, Ichio Shimada
  • Organizer: XXVIIth International Conference on Magnetic Resonance in Biological Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Conductance of P2X4 purinergic receptor is determined by conformational equilibrium in the transmembrane region, (2016)
  • Author(s): Tomoaki Hara, Yuichi Minato, Shiho Suzuki, Yutaka Kofuku, Go Kasuya, Yuichiro Fujiwara, Shunsuke Igarashi, Ei-ichiro Suzuki, Osamu Nureki, Motoyuki Hattori, Takumi Ueda, Ichio Shimada
  • Organizer: XXVIIth International Conference on Magnetic Resonance in Biological Systems
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 東京大学大学院薬学系研究科生命物理化学教室ホームページ
  • URL: http://ishimada.f.u-tokyo.ac.jp/public_html/index_j.html