一回膜貫通型受容体のシグナル伝達の構造基盤

• Project Area: Integrative understanding of biological signaling networks based on mathematical science
• Project/Area Number: 19H04950
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• 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): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000); Fiscal Year 2020: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2019: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
• 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 / 一回膜貫通型受容体

Outline of Research at the Start

生体中において一回膜貫通型受容体は種々の局面で重要な役割を果たし、様々な病気の治療薬のターゲットとされている。本課題では，主に全長の一回膜貫通型受容体を用いて、細胞外ドメインと細胞内ドメインの協働性を構造生物学的に明らかにし、リガンド認識とシグナル伝達機構の全貌を明らかにすることを目的とする。本研究は、生体内のシグナル伝達に関する情報を統合して理解しようとする本領域の目的に大きく貢献するものである。

Outline of Annual Research Achievements

生体中において一回膜貫通型受容体は種々の局面で重要な役割を果たしている。例えば免疫において微生物など病原体の構成成分は一回膜貫通型受容体であるToll-like receptors (TLRs)などの病原体センサーによって認識され様々な免疫応答を引き起こす。これら一回膜貫通型受容体は、様々な病気の治療薬のターゲットとされている。しかし、一回膜貫通型受容体の機能発現機構は主に細胞外のシグナル受容ドメインと細胞内のシグナル伝達ドメイン個別に研究されてきた。そのため、細胞外ドメインと細胞内ドメインの間で細胞膜を介してどのような協働性が存在してシグナルが伝達されるのかに関する実験的証拠があまりにも乏しいため、現状では前者と後者の間の関連性はほとんど憶測の域を出ない。本課題では，主に全長の受容体を用いてこの細胞外ドメインと細胞内ドメインの協働性を構造生物学的に明らかにし、真の意味でのリガンド認識とシグナル伝達機構を明らかにすることを目的とする。
今年度は、まずTLR全長の活性化状態のクライオ電子顕微鏡解析を進めた。TLR全長を脂質環境を模したナノディスクに再構成した試料を用いて解析を進めた。その結果、TLR3全長の活性化型2量体を再構成したナノディスク試料について、4オングストロームを超える解像度の密度マップを得ることに成功した。TLR3の細胞外ドメインとリガンドである二本鎖RNAの密度は明瞭に確認することができた。しかし、TLR3の膜貫通領域および細胞内のTIRドメインに関しては密度を確認することができなかった。これは、TLR3の細胞外ドメインが膜に対して柔軟性を有していることを示唆する。クロスリンクにより安定化する、脂質二重膜の膜組成を最適化する、アダプター分子との複合体を形成させる、などしてTLR3の細胞外ドメインと膜貫通領域の間の柔軟性を制限する検討を行い、脂質二重膜上での活性化型のTLR全長の構造解析を目指す。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Cryo-EM structures of Toll-like receptors in complex with UNC93B1 (2021)
  • Author(s): Ishida Hanako、Asami Jinta、Zhang Zhikuan、Nishizawa Tomohiro、Shigematsu Hideki、Ohto Umeharu、Shimizu Toshiyuki
  • Journal Title: Nature Structural & Molecular Biology Volume: 28 Issue: 2 Pages: 173-180
  • DOI: 10.1038/s41594-020-00542-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The effect of anesthetics on toll like receptor 9 (2020)
  • Author(s): Koutsogiannaki Sophia、Bu Weiming、Hou Lifei、Shibamura‐Fujiogi Miho、Ishida Hanako、Ohto Umeharu、Eckenhoff Roderic G.、Yuki Koichi
  • Journal Title: The FASEB Journal Volume: 34 Issue: 11 Pages: 14645-14654
  • DOI: 10.1096/fj.202000791rr
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural analysis reveals TLR7 dynamics underlying antagonism (2020)
  • Author(s): Tojo Shingo、Zhang Zhikuan、Matsui Hiroyuki、Tahara Masahiro、Ikeguchi Mitsunori、Kochi Mami、Kamada Mami、Shigematsu Hideki、Tsutsumi Akihisa、Adachi Naruhiko、Shibata Takuma、Yamamoto Masaki、Kikkawa Masahide、Senda Toshiya、Isobe Yoshiaki、Ohto Umeharu、Shimizu Toshiyuki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19025-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Crystal structure of the FYCO1 RUN domain suggests possible interfaces with small GTPases (2020)
  • Author(s): Sakurai Shunya、Shimizu Toshiyuki、Ohto Umeharu
  • Journal Title: Acta Crystallographica Section F Structural Biology Communications Volume: 76 Issue: 8 Pages: 326-333
  • DOI: 10.1107/s2053230x20009012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal structure of TEX101, a glycoprotein essential for male fertility, reveals the presence of tandemly arranged Ly6/uPAR domains (2020)
  • Author(s): Masutani Mamiko、Sakurai Shunya、Shimizu Toshiyuki、Ohto Umeharu
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 594 Issue: 18 Pages: 3020-3031
  • DOI: 10.1002/1873-3468.13875
  • Peer Reviewed
• [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
• [Presentation] UNC93B1による核酸認識TLRの輸送機構の構造基盤 (2021)
  • Author(s): 石田英子、浅見仁太、大戸梅治、清水敏之
  • Organizer: 日本薬学会第141年会（広島）オンライン
• [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
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~kouzou/index.html