リポクオリティとTLR活性化機構の解析

• Project Area: Quality of lipids in biological systems
• Project/Area Number: 18H04669
• 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: 大戸 梅治 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 准教授 (90451856)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2019: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2018: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: シグナル伝達 / TLR受容体 / 自然免疫 / クライオ電子顕微鏡 / 膜受容体 / 構造生物学 / ナノディスク

Outline of Annual Research Achievements

自然免疫は微生物の感染に対する生体の初期防御反応である。Toll-like receptors (TLRs)は、微生物の構成成分を認識し自然免疫を活性化する一回膜貫通型の受容体であり、自然免疫において中心的な役割を果たす。TLRは、様々な疾患に関わり、それらの治療薬のターゲットとされている。これまでの細胞外ドメインを用いた構造生物学的研究により、TLRが特異的にリガンドを認識する機構、細胞外ドメインが二量体化する機構が明らかになった。しかし、依然として細胞外ドメインから細胞内へとどのように情報が伝達されるかという疑問が残る。またTLRの活性化する場に関して脂質ラフト構造に移行することが重要であるとの報告が多数存在する。しかし、それらに関しての直接的な実験データは皆無である。本研究の目標はTLR全長を異なる脂質組成の脂質二重膜中に再構成し、ある種の脂質または脂質ラフト構造がTLRの活性化にどのような影響を与えるのかを解析することである。
今年度は、TLR全長の活性化状態の３次元構造を解明することに注力した。まず、TLR全長を、脂質環境を模したナノディスクに効率的に再構成する条件検討を重点的に検討した。ナノディスク形成に使用する膜足場タンパク質の検討、脂質の検討、再構成手順の検討を行った。その結果、１分子のTLR全長を再構成する条件およびリガンドを介した２分子のTLR全長を再構成する条件をそれぞれ最適化することに成功した。さらに、２分子のTLR全長をナノディスクに再構成した試料に関して、クライオ電顕での構造解析を進めた。サンプルの調製方法、グリッドの凍結条件などを検討し、十分に粒子が分散したクライオ電顕像が得られるようになった。今後、さらに条件を検討することで、脂質二重膜上での活性化型のTLR全長の構造解析が可能となる見通しである。

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] Homeostatic and pathogenic roles of GM3 ganglioside molecular species in TLR4 signaling in obesity (2020)
  • Author(s): Kanoh Hirotaka、Nitta Takahiro、Go Shinji、Inamori Kei‐ichiro、Veillon Lucas、Nihei Wataru、Fujii Mayu、Kabayama Kazuya、Shimoyama Atsushi、Fukase Koichi、Zonca Asia、Cattaneo Anna、Letizia Marilena、Ciampa Maria、Mauri Laura、Prinetti Alessandro、Sonnino Sandro、Suzuki Akemi、Inokuchi Jin‐ichi et. al.
  • Journal Title: The EMBO Journal Volume: － Issue: 12 Pages: 1-20
  • DOI: 10.15252/embj.2019101732
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rationally Designed Small-Molecule Inhibitors Targeting an Unconventional Pocket on the TLR8 Protein-Protein Interface (2020)
  • Author(s): Jiang Shuangshuang、Tanji Hiromi、Yin Kejun、Zhang Shuting、Sakaniwa Kentaro、Huang Jian、Yang Yi、Li Jing、Ohto Umeharu、Shimizu Toshiyuki、Yin Hang
  • Journal Title: Journal of Medicinal Chemistry Volume: 63 Issue: 8 Pages: 4117-4132
  • DOI: 10.1021/acs.jmedchem.9b02128
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Toll-like Receptor 9 Contains Two DNA Binding Sites that Function Cooperatively to Promote Receptor Dimerization and Activation (2018)
  • Author(s): Ohto Umeharu、Ishida Hanako、Shibata Takuma、Sato Ryota、Miyake Kensuke、Shimizu Toshiyuki
  • Journal Title: Immunity Volume: 48 Issue: 4 Pages: 649-658
  • DOI: 10.1016/j.immuni.2018.03.013
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural basis for species-specific activation of mouse Toll-like receptor 9 (2018)
  • Author(s): Ishida Hanako、Ohto Umeharu、Shibata Takuma、Miyake Kensuke、Shimizu Toshiyuki
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 592 Issue: 15 Pages: 2636-2646
  • DOI: 10.1002/1873-3468.13176
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Small-Molecule TLR8 Antagonists via Structure-Based Rational Design (2018)
  • Author(s): Hu Zhenyi、Tanji Hiromi、Jiang Shuangshuang、Zhang Shuting、Koo Kyoin、Chan Jean、Sakaniwa Kentaro、Ohto Umeharu、Candia Albert、Shimizu Toshiyuki、Yin Hang
  • Journal Title: Cell Chemical Biology Volume: 25 Issue: 10 Pages: 1286-1291
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2018.07.004
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural analysis of HTL and D14 proteins reveals the basis for ligand selectivity in Striga (2018)
  • Author(s): Xu Yuqun、Miyakawa Takuya、Nosaki Shohei、Nakamura Akira、Lyu Ying、Nakamura Hidemitsu、Ohto Umeharu、Ishida Hanako、Shimizu Toshiyuki、Asami Tadao、Tanokura Masaru
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Issue: 1 Pages: 3947-3947
  • DOI: 10.1038/s41467-018-06452-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural Analyses of Toll-like Receptor 7 Reveal Detailed RNA Sequence Specificity and Recognition Mechanism of Agonistic Ligands (2018)
  • Author(s): Zhang Zhikuan、Ohto Umeharu、Shibata Takuma、Taoka Masato、Yamauchi Yoshio、Sato Ryota、Shukla Nikunj M.、David Sunil A.、Isobe Toshiaki、Miyake Kensuke、Shimizu Toshiyuki
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 25 Issue: 12 Pages: 3371-3381
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2018.11.081
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 一回膜貫通型Toll様受容体のリガンド認識とシグナル伝達機構の構造基盤 (2019)
  • Author(s): 大戸梅治
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会 第71回日本細胞生物学会 合同年次大会
  • Invited
• [Presentation] ZOO systemを用いた自動回折データ収集の実際 (2019)
  • Author(s): 大戸梅治
  • Organizer: 第11回SPring-8ユーザー共同体(SPRUC)放射光構造生物学研究会
  • Invited
• [Presentation] 自然免疫を担う病原体センサー蛋白質の構造基盤の解明と創薬展開 (2019)
  • Author(s): 大戸梅治、清水敏之
  • Organizer: 日本薬学会 第139年会
  • Invited
• [Presentation] The simultaneous binding of two DNA motifs for efficient activation of TLR9 revealed by X-ray Crystallography (2018)
  • Author(s): U. Ohto, H. Ishida., T.Shibata, R.Sato, K.Miyake, T. Shimizu
  • Organizer: Toll meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LIGAND RECOGNITION MECHANISM OF TLR7 REVEALED BY A LARGE-SCALE CRYSTALLOGRAPHIC STUDY (2018)
  • Author(s): Z. Zhang, U. Ohto, T.Shibata, R.Sato, K.Miyake, T. Shimizu
  • Organizer: Toll meeting 2018
• [Presentation] Structural biology of Toll-like receptors (2018)
  • Author(s): Umeharu Ohto, Toshiyuki Shimizu
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会
  • Invited
• [Presentation] 自然免疫受容体TLR9活性化機構の構造生物学的研究 (2018)
  • Author(s): 石田英子，大戸梅治，柴田琢磨，佐藤亮太，三宅健介，清水敏之
  • Organizer: 日本結晶学会平成30年度年会
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~kouzou/index.html