KcsAチャネル蛋白質の1分子測定による構造ゆらぎと機能ゆらぎの相関

• Project Area: Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
• Project/Area Number: 21107508
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 老木 成稔 福井大学, 医学部, 教授 (10185176)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000); Fiscal Year 2010: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2009: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: イオンチャネル / ゲーティング / 構造変化 / 1分子測定 / キネティクス

Research Abstract

イオンチャネルの構造ゆらぎと機能ゆらぎの相関を明らかにするためにKcsAカリウムチャネルを対象に1分子の構造変化を回折X線追跡法(DXT法)で、1分子機能測定を脂質平面膜法で行った。単一チャネル電流記録法では脂質平面膜に1分子だけ再構成することにより、通常のゲート特性以外に、サブレベルへの遷移など詳細に解析することができた。一方、DXT法には高輝度放射光施設での実験が不可欠であり、SPring-8(播磨)だけでなく、海外の施設での実験を継続して行った。ESRF(フランス、グルノーブル)とSLS、(スイス、フィリケン)で年間約400時間にわたって実験を行った。
この間、(1)ノイズを低減させるための様々な改良、(2)データ取得を効率よくおこなうための基礎的実験、(3)pHジャンプ実験、を行い、それぞれの項目で十分な成果を得ることができた。X線回折像の背景ノイズを低減させるためにX線の特性、サンプルの配置など詳細に検討し、高い信号雑音比を得ることができた。これにより従来ビデオレート(毎秒30フレーム)の測定を5000フレームにまで高速化することに成功し、構造変化の軌跡を詳細にたどることができるようになった。KcsAチャネルは中性pHではゲートが閉じたままであり、閉状態での構造ゆらぎを解析できる、一方、酸性pHで起こすゲーティング中にもその構造変化の軌跡にゆらぎをともなう。現在、これらの構造ゆらぎを定量的に解析中である。構造ゆらぎがどう機能ゆらぎに関連するのか今後検討したい。

Research Products

• [Journal Article] Cycle Flux Algebra for Ion and Water Flux through the KcsA Channel Single-file Pore Links Microscopic Trajectories and Macroscopic Observables. (2011)
  • Author(s): Oiki, S., M.Iwamoto, T.Sumikama
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 6
  • NAID: 120003072326
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamic structure of the polytheonamide B channel studied by normal mode analysis. (2011)
  • Author(s): Mori, T., Kokubo, H., Oiki, S., Okamoto Y.
  • Journal Title: Molec Sim Volume: (In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single Molecular Gating Dynamics for KcsA Potassium Channel. (2011)
  • Author(s): Oiki, S., H.Shimizu, M.Iwamoto, T.Konno
  • Journal Title: Adv.Chem.Phys. Volume: (In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] イオンチャネルタンパク質の構造変化を追う (2011)
  • Author(s): 老木成稔
  • Journal Title: パリティ Volume: 26 Pages: 52-56
• [Journal Article] A Mesoscopic Approach to Understanding the Mechanisms Underlying the Ion Permeation on the Discrete-State Diagram. (2010)
  • Author(s): Oiki, S., M.Iwamoto, T.Sumikama
  • Journal Title: J.Gen.Physiol. Volume: 136 Pages: 363-365
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A cytotoxic peptide from a marine sponge exhibits ion channel activity through vectorial-insertion into the membrane. (2010)
  • Author(s): Iwamoto, M., H.Shimizu, I.Muramatsu, S.Oiki
  • Journal Title: FEBS Lett. Volume: 584 Pages: 3995-3999
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] KcsAチャネル蛋白質の1分子測定による構造ゆらぎと機能ゆらぎ (2010)
  • Author(s): 老木成稔
  • Journal Title: Medical Bio Volume: 10別冊 Pages: 55-60
• [Journal Article] Single Molecular Gating Dynamics for KcsA Potassium Channel. (2010)
  • Author(s): Oiki, S., H.Shimizu, M.Iwamoto, T.Konno
  • Journal Title: Adv.Chem.Phys. (印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Docking Model of Drug Binding to the Human Ether-a-go-go Potassium Channel Guided by Tandem Dimer Mutant Patch-Clamp Data : A Synergic Approach. (2009)
  • Author(s): Imai, Y.N., S.Ryu, S.Oiki
  • Journal Title: J.Med.Chem. 52 Pages: 1630-1638
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temperature dependence of Proton Permeation through a Voltage-Gated Proton Channel. (2009)
  • Author(s): Kuno, M., H.Ando, H.Morihata, H.Sakai, H.Mori, M.Sawada, S.Oiki
  • Journal Title: J.Gen.Physiol. 134 Pages: 191-205
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X線一分子追跡法により明らかになったKcsAカリウムチャネルの開閉機構 (2009)
  • Author(s): 老木成稔
  • Journal Title: 放射光 22 Pages: 183-191
  • Peer Reviewed
• [Presentation] FLUCUATION OF ION AND WATER FLUX THROUGH THE KcsA POTASSIUM CHANNEL (2010)
  • Author(s): S.Oiki, M.Iwamoto, T.Sumikama
  • Organizer: 新学術領域研究「揺らぎと生体機能」平成22年度第4回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 大津市
  • Year and Date: 2010-11-30
• [Presentation] 新奇異常ペプチドの-方向膜挿入による-価陽イオン選択性ポアの形成 (2010)
  • Author(s): 岩本真幸、老木成稔
  • Organizer: 日本生物物理学会第48回年会
  • Place of Presentation: 仙台市
  • Year and Date: 2010-09-22
• [Presentation] カリウムチャネルと揮発性麻酔薬の分子作用-脂質平面膜法による実験系の確率をめざして- (2010)
  • Author(s): 松木悠佳, 岩本真幸, 三田建一郎, 老木成稔, 重見研司
  • Organizer: 日本麻酔科学会東海・北陸支部第8回学術集会
  • Place of Presentation: 福井市
  • Year and Date: 2010-09-04
• [Presentation] イオンチャンネル蛋白質(KcsA)の構造・機能1分子測定 (2010)
  • Author(s): 老木成稔
  • Organizer: 名古屋大学大学院医学系研究科
  • Place of Presentation: 名古屋市
  • Year and Date: 2010-07-09
• [Presentation] KcsAチャネル蛋白質の1分子測定による構造ゆらぎと機能ゆらぎの相関 (2010)
  • Author(s): 老木成稔
  • Organizer: 新学術領域研究「揺らぎと生体機能」平成22年度合同班会議
  • Place of Presentation: 加賀市
  • Year and Date: 2010-06-29
• [Presentation] 海綿由来細胞毒性ペプチドポリセオナミドBのイオンチャネル活性および細胞膜挿入機構 (2010)
  • Author(s): 岩本真幸, 清水啓史, 村松郁延, 松永茂樹, 老木成稔
  • Organizer: 第87回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 盛岡市
  • Year and Date: 2010-05-20
• [Presentation] 不活性化しない変異体であるE71A変異体を用いたKcsAカリウムチャネルのpH依存性 (2010)
  • Author(s): 松木悠佳, 岩本真幸, 清水啓史, 老木成稔
  • Organizer: 第87回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 盛岡市
  • Year and Date: 2010-05-19
• [Presentation] Structural and Functional Fluctuations of the KcsA Potassium Channel (2009)
  • Author(s): Oiki, S, H.Shimizu, M.Iwamoto, T.Konno
  • Organizer: The 3^<rd> International Symposium : Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions.
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2009-12-21
• [Presentation] チャネルゲーティングの1分子構造変化ダイナミクス (2009)
  • Author(s): 老木成稔
  • Organizer: 中部日本生理学会教育講演
  • Place of Presentation: 金沢
  • Year and Date: 2009-12-07
• [Presentation] Single-molecular measurements for structural and functional fluctuations of KcsA potassium channel. (2009)
  • Author(s): Oiki, S
  • Organizer: 第47回生物物理学会年会シンポジウム「生体分子の揺らぎをはかる」
  • Place of Presentation: 徳島
  • Year and Date: 2009-10-30
• [Presentation] KcsAカリウムチャネル構造機能相関の1分子解析. (2009)
  • Author(s): 老木成稔
  • Organizer: 第82日本生化学会大会.シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2009-10-17
• [Presentation] チャネル蛋白質の1分子測定でみえる構造と機能:イオン透過とゲーティング (2009)
  • Author(s): 老木成稔
  • Organizer: 生物物理若手の会第49回夏の学校
  • Place of Presentation: 千歳
  • Year and Date: 2009-08-03
• [Presentation] Real time monitoring of structural changes, in K-channel gating. (2009)
  • Author(s): Oiki, S.
  • Organizer: IUPS PSJ
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2009-07-28
• [Presentation] Dynamics of KcsA Potassium Channel During pH-dependent Gating. (2009)
  • Author(s): Oiki, S, H.Shimizu, M.Iwamoto, T.Konno
  • Organizer: International Symposium on "Reaction Dynamics of Many-Body Chemical Systems"
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2009-06-23
• [Book] チャネル研究のための脂質平面膜法.「新パッチクランプ実験技術法」 (2011)
  • Author(s): 老木成稔
  • Publisher: 吉岡書店
• [Book] 序論:イオンチャネル.「新パッチクランプ実験技術法」 (2011)
  • Author(s): 久木田文夫、老木成稔
  • Publisher: 吉岡書店
• [Book] The Planar Lipid Bilayer Method for the Study of Channel Molecules. "Modern Patch Clamp Techniques". Y.Okada, Ed. (2011)
  • Author(s): Oiki, S.
  • Publisher: Springer-Verlag(In press)
• [Book] Prologue : The Ion Channel. "Modern Patch Clamp Techniques" (2011)
  • Author(s): Kukita, F., S.Oiki
  • Publisher: Springer-Verlag
• [Book] Single-Channel Structure-Function Dynamics : The Gating of Potassium Channels. "Cell Signaling Reactions : Single-Molecular Kinetic Analysis". Eds.Y.Sako and M.Ueda (2010)
  • Author(s): Oiki, S.
  • Publisher: Springer
• [Book] Cell Signaling Reactions : Single-Molecular Kinetic Analysis.(Eds.Y.Sako, M.Ueda, Single-Channel Structure-Function Dynamics : The Gating of Potassium Channels.) (2010)
  • Author(s): S.Oiki
  • Publisher: Springer(印刷中)