核磁気共鳴法による分子夾雑系膜環境におけるG蛋白質共役型受容体の機能解明

• Project Area: Chemical Approaches for Miscellaneous / Crowding Live Systems
• Project/Area Number: 18H04540
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 上田 卓見 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 准教授 (20451859)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2019: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2018: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: GPCR / NMR / DHA / ナノディスク / アデノシンA2A受容体 / 脂質二重膜

Outline of Annual Research Achievements

昨年度、脂質二重膜中のアデノシンA2受容体 (A2AAR)が複数の活性型構造の平衡状態にあり、脂質が各活性型構造の割合を変化させることを明らかにした。そこで、複数の活性型構造の違いを調べるために、観測原子の溶媒露出度を調べることが可能である、solvent PRE実験を行った。その結果、M232のNMRシグナルは、ドコサヘキサエン酸鎖 (DHA鎖) 存在下においてより大きく強度減少したのに対し、M106は、アラキドン酸鎖 (ARA鎖) 存在下の方がより大きく強度減少した。一方、M140, M211, M292の強度減少率は、脂質依存性を示さなかった。したがって、DHA鎖存在下では、M106およびM232の溶媒露出度がそれぞれ減少、上昇することが示された。
TM6が細胞内側からみて時計回りに回転すると、M232がキャビティ内に露出して、溶媒露出度が増大すると考えられる。実際、様々なGPCRの結晶構造における、M232に対応する残基の溶媒露出度とTM6の回転度を網羅的に調べた結果、両者はよく相関した。したがって、M232の溶媒露出度がDHA鎖により増大したことは、DHA鎖によりTM6が細胞内側から見て時計回りに回転することを示している。逆作動薬が結合した不活性型の結晶構造と、G蛋白質が結合した活性型の結晶構造を比較すると、活性型では、TM6の回転により、TM6の残基とG蛋白質のC末端の残基の相互作用が可能となっている。したがって、DHA鎖によるTM6の回転は、G蛋白質の活性化を容易にしていると考えた。
以上より、本研究では、A2AARには、シグナルを流さない不活性型構造と、異なる程度でシグナルを流す複数の活性型構造の多型があることを明らかにした。そして、薬剤は不活性型構造と活性型構造の存在比を変えることで、また脂質は複数の活性型構造の存在比を変化させることで、シグナル伝達活性を制御することも明らかにした。この研究成果を、投稿論文に発表した (Mizumura et al. Sci. Adv. 2020)。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Activation of adenosine A2A receptor by lipids from docosahexaenoic acid revealed by NMR (2020)
  • Author(s): Takuya Mizumura, Keita Kondo, Masatoshi Kurita, Yutaka Kofuku, Mei Natsume, Shunsuke Imai, Yutaro Shiraishi, Takumi Ueda, Ichio Shimada
  • Journal Title: Science Advances Volume: 6 Issue: 12
  • DOI: 10.1126/sciadv.aay8544
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural equilibrium underlying ligand-dependent activation of b2-adrenoreceptor (2020)
  • Author(s): Shunsuke Imai, Tomoki Yokomizo, Yutaka Kofuku, Yutaro Shiraishi, Takumi Ueda, Ichio Shimada
  • Journal Title: Nature Chemical Biology Volume: 16 Issue: 4 Pages: 430-439
  • DOI: 10.1038/s41589-019-0457-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Function-related conformational dynamics of G protein-coupled receptors revealed by NMR (2019)
  • Author(s): Takumi Ueda, Yutaka Kofuku, Junya Okude, Shunsuke Imai, Yutaro Shiraishi, Ichio Shimada
  • Journal Title: Biophysical Reviews Volume: 11 Issue: 3 Pages: 409-418
  • DOI: 10.1007/s12551-019-00539-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] NMR 解析の最前線：分子間相互作用と動的構造 (2019)
  • Author(s): 上田卓見、嶋田一夫
  • Journal Title: 月刊細胞 Volume: 51 Pages: 596-599
• [Journal Article] NMR Studies of Function-related Conformational Equilibria of GPCRs (2019)
  • Author(s): 上田卓見、嶋田一夫
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 59 Issue: 4 Pages: 181-187
  • DOI: 10.2142/biophys.59.181
  • NAID: 130007683541
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] GPCR drug discovery: integrating solution NMR data with crystal and cryo-EM structures (2018)
  • Author(s): Shimada Ichio、Ueda Takumi、Kofuku Yutaka、Eddy Matthew T.、Wuthrich Kurt
  • Journal Title: Nature Reviews Drug Discovery Volume: 18 Issue: 1 Pages: 59-82
  • DOI: 10.1038/nrd.2018.180
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [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] Endogenous Membrane Receptor Labeling by Reactive Cytokines and Growth Factors to Chase Their Dynamics in Live Cells (2018)
  • Author(s): Takaoka Yousuke、Uchinomiya Shohei、Kobayashi Daichi、Endo Masataka、Hayashi Takahiro、Fukuyama Yoshiaki、Hayasaka Haruko、Miyasaka Masayuki、Ueda Takumi、Shimada Ichio、Hamachi Itaru
  • Journal Title: Chem Volume: 4 Issue: 6 Pages: 1451-1464
  • DOI: 10.1016/j.chempr.2018.03.021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Conductance of P2X4 receptor is determined by conformational equilibrium in the transmembrane region (2019)
  • Author(s): Takumi Ueda, Ichio Shimada
  • Organizer: The 8th Asia-Pacific NMR symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks]
  • URL: http://ishimada.f.u-tokyo.ac.jp/public_html/
• [Remarks]
  • URL: http://ishimada.f.u-tokyo.ac.jp/public_html/