ＮＭＲによる電位依存性イオンチャネルの動的構造と機能発現機構の解明

• Project Area: Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
• Project/Area Number: 23107708
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 大澤 匡範 東京大学, 薬学研究科(研究院), 助教 (60361606)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2012: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2011: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 電位依存性イオンチャネル / 構造揺らぎ / NMR / KcsA / VSOP / 電位センサードメイン / ポアドメイン

Outline of Annual Research Achievements

電位依存性イオンチャネルは、膜電位に応じてイオンの膜透過性を変えることにより活動電位などの生理現象において中心的な役割を担っている。一般に電位依存性イオンチャネルは、電位センサードメイン(VSD)と、イオン透過路（細胞内ゲートおよびイオン選択性フィルター（SF））を有するポアドメイン（PD)からなる。本研究では、VSD を有しPD を持たない電位依存性プロトンチャネルVSOP と、PD のみからなるpH 依存性カリウムチャネルKcsA を解析対象とし、溶液NMR 法を用い、電位依存性イオンチャネルの機能に直結したVSD とPD の構造揺らぎの解明を目的とする。

１　KcsAをディスク状の脂質二重膜に再構成し、NMRにより構造揺らぎを解析したところ、膜環境に摂動を与えるトリフルオロエタノールを添加した際に、その構造平衡が不活性型から活性型にシフトした。平面二重膜上での電気生理解析では、NMR解析と同じ濃度のトリフルオロエタノール添加時に、チャネルの開口確立の増大が観測された。このことは、KcsAの構造揺らぎが膜環境に依存して変化することを示している。イオンチャネルが機能するときの構造変化・構造揺らぎを、部位特異的にとらえることに初めて成功した。

２　VSOP(VSD)のIle, Leu, Valの1残基変異体のスペクトルと野生型のスペクトルを比較することにより、メチル基の帰属を行った。また、メチル基間のNOEの解析を行うことにより、電位依存性イオンチャネルの静止状態の立体構造を解明することに成功した。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Backbone resonance assignments for the cytoplasmic region of the Mg(2+) transporter MgtE in the Mg (2+)-unbound state (2013)
  • Author(s): Maruyama T, Imai S, Osawa M, Hattori M, Ishitani R, Nureki O, Shimada I.
  • Journal Title: Biomol NMR Assign Volume: 7 Issue: 1 Pages: 93-96
  • DOI: 10.1007/s12104-012-9385-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional equilibrium of the KcsA structure revealed by NMR (2012)
  • Author(s): Imai S, Osawa M, Mita K, Toyonaga S, Machiyama A, Ueda T, Takeuchi K, Oiki S, Shimada I.
  • Journal Title: J Biol Chem Volume: 287 Issue: 47 Pages: 39634-39641
  • DOI: 10.1074/jbc.m112.401265
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biological role of the two overlapping poly(A)-binding protein interacting motifs 2 (PAM2) of eukaryotic releasing factor eRF3 in mRNA decay. (2012)
  • Author(s): Osawa M, Hosoda N, Nakanishi T, Uchida N, Kimura T, Imai S, Machiyama A, Katada T, Hoshino S, Shimada I.
  • Journal Title: RNA Volume: 18 Issue: 11 Pages: 1957-1967
  • DOI: 10.1261/rna.035311.112
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional dynamics of proteins revealed by solution NMR (2012)
  • Author(s): Osawa M, Takeuchi K, Ueda T, Nishida N, Shimada I.
  • Journal Title: Curr Opin Struct Biol Volume: 22 Issue: 5 Pages: 660-669
  • DOI: 10.1016/j.sbi.2012.08.007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatial distribution of cytoplasmic domains of the Mg(2+)-transporter MgtE, in a solution lacking Mg(2+), revealed by paramagnetic relaxation enhancement (2012)
  • Author(s): Imai S, Maruyama T, Osawa M, Hattori M, Ishitani R, Nureki O, Shimada I.
  • Journal Title: Biochim Biophys Acta Volume: 1824 Issue: 10 Pages: 1129-1135
  • DOI: 10.1016/j.bbapap.2012.06.008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis for the modulation of the gating property of G protein-gated inwardly rectifying potassium ion channel (GIRK)by the i/o-family G protein α subunit (Gdi_<i/o>) (2012)
  • Author(s): 間瀬瑶子
  • Journal Title: The Journal of Biological Chemistry Volume: 287 Issue: 23 Pages: 19537-19549
  • DOI: 10.1074/jbc.m112.353888
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Backbone resonance assignments for G protein α(i3) subunit in the GTP-bound state (2012)
  • Author(s): Mase Y, Yokogawa M, Osawa M, Shimada I.
  • Journal Title: Biomol NMR Assign Volume: 6 Issue: 2 Pages: 217-220
  • DOI: 10.1007/s12104-012-9361-6
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ATP effect on Mg2+-dependent gating of a Mg2+ channel MgtE (2012)
  • Author(s): Maruyama T, Imai S, Osawa M, Hattori M, Ishitani R, Nureki O, Shimada I.
  • Organizer: 第85回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場(福岡)
  • Year and Date: 2012-12-14
• [Presentation] Structural basis for modulation of gating property of G protein-gated inwardly rectifying potassium ion channel (GIRK) by i/o-family G protein α subunit (Gαi/o). (2012)
  • Author(s): Mase Y, Yokogawa M, Osawa M, Shimada I.
  • Organizer: The XXVth International Conference on Magnetic Resonance
  • Place of Presentation: Lyon （フランス）
  • Year and Date: 2012-08-19
• [Presentation] Structural Elucidation of Mg2+-dependent Gating Mechanism of a Mg2+ Transporter MgtE (2012)
  • Author(s): Maruyama T, Imai S, Osawa M, Hattori M, Ishitani R, Nureki O, Shimada I.
  • Organizer: The XXVth International Conference on Magnetic Resonance
  • Place of Presentation: Lyon （フランス）
  • Year and Date: 2012-08-19
• [Presentation] Structural analyses of the gating mechanism of inwardly rectifying potassium channel (2012)
  • Author(s): Y. Toyama, M. Osawa, M. Yokogawa, S. Toyanaga, A, Machiyama, I. Shimada
  • Organizer: Program for Young Researcher Symposium in Europe
  • Place of Presentation: Oxford (英国)
  • Year and Date: 2012-06-06
• [Presentation] Structural analyses of the gating mechanism of inwardly rectifying potassium channel (2012)
  • Author(s): Y. Toyama, M. Osawa, M. Yokogawa, S. Toyanaga, A, Machiyama, I. Shimada
  • Organizer: 第12回 日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場 （愛知）
  • Year and Date: 2012-06-02
• [Presentation] Structural investigation of voltage-sensing mechanism of voltage-dependent K^+ channels (2011)
  • Author(s): 原田瞳, 大澤匡範, 小澤新一郎, 木村友美, 野崎智裕, 嶋田一夫
  • Organizer: 第34回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県)
  • Year and Date: 2011-12-14
• [Presentation] Structural basis for the inhibition of voltage-dependent potassium (Kv) channels by gating modifier toxins (2011)
  • Author(s): 小澤新一郎, 大澤匡範, 木村友美, 原田瞳, 野崎智裕, 嶋田一夫
  • Organizer: 第34回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県)
  • Year and Date: 2011-12-14
• [Book] 【試料分析講座】「蛋白質の分析」, 分析化学会 (2012)
  • Author(s): 大澤匡範、今井駿輔、嶋田一夫.
  • Total Pages: 34
  • Publisher: 丸善
• [Remarks] 東京大学大学院薬学系研究科機能薬学専攻 生体分子機能学大講座 生命物理化学教室
  • URL: http://ishimada.f.u-tokyo.ac.jp/public_html/index_j.html
• [Remarks]
  • URL: http://ishimada.f.u-tokyo.ac.jp/public_html/index_j.html