Molecular basis for highly efficient electromechanical energy conversion in outer hair cell

• Project Area: Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion
• Project/Area Number: 21H00387
• 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: 島 知弘 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (60631786)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2021: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 圧電活性 / プレスチン / SLC26 / 蝸牛増幅 / 金ナノロッド / 暗視野顕微鏡 / 細胞シート / SLC26イオン輸送体ファミリー / モータータンパク質

Outline of Research at the Start

哺乳類内耳に存在する外有毛細胞は、膜電位に応じて細胞長を伸縮させ、音信号を増幅している。外有毛細胞による電気から運動へのエネルギー変換効率は、既存の人工圧電素子の約1万倍と非常に高い。この高効率エネルギー変換を担うのはプレスチンという膜タンパク質である。すなわちプレスチンは、これまでに研究の進んでいるATPなどの化学エネルギーを利用する多くの生体発動分子とは異なり、電気エネルギーを直接利用して動く生体分子モーターである。本研究では独自に開発した構造変化検出システムを利用して、プレスチンが電気エネルギーを構造変化、さらには外有毛細胞全体の大きな伸縮運動を引き起こす仕組みの解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

哺乳類内耳に存在する外有毛細胞は、膜電位に応じて細胞長を伸縮させ、音信号を増幅している。外有毛細胞による電気から運動へのエネルギー変換効率は、既存の人工圧電素子の約1万倍と非常に高い。この高効率エネルギー変換を担うプレスチンは、ATPなどの化学エネルギーを利用する多くの生体発動分子とは異なり、電気エネルギーを直接利用して動く生体分子モーターである。我々は、プレスチンが電位変化を感受する仕組み、およびそれをいかに構造変化につなげるかについて研究を進めてきた。これまでプレスチンの属するSLC26陰イオン輸送体ファミリーでは、プレスチンのみが膜電位を感受しうると考えられてきたが、実は他のSLC26タンパク質にも電位感受能があることを我々は発見した。
本研究において、我々は培養細胞などに発現させたプレスチンなどSLC26タンパク質の構造変化動態をハイスループットに可視化する計測系の構築に成功した。プレスチンをはじめとするSLC26タンパク質の構造変化を可視化する計測系を立ちあげるうえで、大きな障害となっていた細胞膜へのタンパク質局在効率が低いという課題にたいして、我々はSLC26タンパク質の網羅的な発現解析から、最も効率よく細胞膜へと局在するシグナル配列および培養細胞株を見出し、この課題を克服した。さらに、この手法で発現させたプレスチンは、外有毛細胞での発現と同様に、細胞側面に密集しており、細胞極性が外有毛細胞の大きな伸縮ダイナミクスに与える影響についても、検証可能になった。本手法を用いることで、プレスチン以外のSLC26タンパク質も実際に電位変化に応じた構造変化を示すことが明らかとなり、膜内でのタンパク質密度が圧電効率に与える影響も精査することに成功した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] デルフト工科大学(オランダ)
• [Int'l Joint Research] ノースウェスタン大学(米国)
• [Int'l Joint Research] マールブルク大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ノースウェスタン大学(米国)
• [Int'l Joint Research] デルフト工科大学(オランダ)
• [Journal Article] N-terminal region of Drosophila melanogaster Argonaute2 forms amyloid-like aggregates (2023)
  • Author(s): Narita Haruka、Shima Tomohiro、Iizuka Ryo、Uemura Sotaro
  • Journal Title: BMC Biology Volume: 21 Issue: 1 Pages: 78-78
  • DOI: 10.1186/s12915-023-01569-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Preference of CAMSAP3 for expanded microtubule lattice contributes to stabilization of the minus end (2023)
  • Author(s): Liu Hanjin、Shima Tomohiro
  • Journal Title: Life Science Alliance Volume: 6 Issue: 5 Pages: 1-15
  • DOI: 10.26508/lsa.202201714
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Key residue on cytoplasmic dynein for asymmetric unbinding and unidirectional movement along microtubule (2022)
  • Author(s): Kubo Shintaroh、Shima Tomohiro、Kon Takahide、Takada Shoji
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 48598 Pages: 1-25
  • DOI: 10.1101/2022.03.27.485981
  • Open Access
• [Journal Article] Kinesin-triggered microtubule conformational changes as a key for cell polarity (2021)
  • Author(s): 島 知弘
  • Journal Title: 生化学 Volume: 93 Issue: 6 Pages: 867-871
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2021.930867
  • NAID: 40022783792
  • ISSN: 0037-1017
  • Year and Date: 2021-12-25
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Accumulation of TERT in Mitochondria Shows Two Opposing Effects on Apoptosis (2021)
  • Author(s): Ebata Hiroshi、Shima Tomohiro、Iizuka Ryo、Uemura Sotaro
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 473585 Pages: 1-22
  • DOI: 10.1101/2021.12.21.473585
  • Open Access
• [Journal Article] A fast and objective hidden Markov modeling for accurate analysis of biophysical data with numerous states (2021)
  • Author(s): Liu Hanjin、Shima Tomohiro
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 446337 Pages: 1-23
  • DOI: 10.1101/2021.05.30.446337
  • Open Access
• [Presentation] 微小管のどこで GTP 加水分解は起きているのか? (2023)
  • Author(s): 島 知弘、劉 涵今
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議
• [Presentation] Cryo-ET を用いた微小管の GTP-cap 構造の解明 (2023)
  • Author(s): 劉 涵今、山口 博史、島 知弘、吉川 雅英
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議
• [Presentation] Preference of CAMSAP3 to expanded microtubules contributes to minus end localization and stabilization (2022)
  • Author(s): Liu Hanjin、Shima Tomohiro
  • Organizer: EMBO/EMBL Symposium: Microtubules
• [Presentation] SLC26 ion transporters act as electricity-driven motor proteins (2022)
  • Author(s): Shima Tomohiro
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] SLC26イオン輸送体による電気エネルギーを利用した運動 (2022)
  • Author(s): 島 知弘
  • Organizer: 第11回分子モーター討論会
  • Invited
• [Presentation] Preference of CAMSAP3 for expanded microtubules contributes to minus end stabilization (2022)
  • Author(s): Liu Hanjin、Shima Tomohiro、Uemura Sotaro
  • Organizer: 66th Biophysical Society Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] テロメラーゼ逆転写酵素TERTのミトコンドリア局在による細 胞死制御 (2021)
  • Author(s): 江端拓志、島知弘、白崎義隆、上村想太郎
  • Organizer: 日本Cell Death学会 第２９回学術集会
• [Remarks]
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2023/8404/
• [Remarks]
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2023/8317/
• [Remarks]
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/en/press/2023/8415/
• [Remarks]
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/en/press/2023/8321/