ＡＢＣトランスポータＮＢＤエンジンにおけるＡＴＰエネルギー利用メカニズムの解明

• Project Area: Water plays a key role in ATP hydrolysis and ATP-driven functions of proteins
• Project/Area Number: 23118714
• 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: Keio University
• Principal Investigator: 相馬 義郎 慶應義塾大学, 医学部, 准教授 (60268183)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000); Fiscal Year 2012: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2011: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
• Keywords: ABCトランスポータ / ATP加水分解 / NBDドメイン / CFTR / チャネル / 結合エネルギー / ゲーティング / 水和 / ATP結合ドメイン

Research Abstract

本研究では、ABCトランスポータ・CFTRチャネルのATP依存性ゲーティングサイクルを非加水分解ATPアナログであるピロリン酸PPiを用いて詳しく解析することにより、NBD2量体が部分解離しているのにもかかわらずポアが開口状態にある新規中間状態Xiの存在を発見した。このことは、一回の開口イベント中に複数個のATP分子が加水分解されうることを示している。さらにR352C変異CFTRが、開口中に起こるATP加水分解の前と後でシングルチャネルコンダクタンスが変化することを発見した。このR352C-CFTRに新規中間状態Xiの安定性に影響を与えるW401F変異を導入してその効果を検討することにより、ATP加水分解サイクルとゲーティングサイクルとのルーズカップリングが追確認できた。同じ現象がABCトランスポータ・スーパーファミリーの他の輸送ポンプ分子にも起こっているとすれば、一定の外部仕事（基質１分子の上り坂輸送）に使われるエネルギー（加水分解されるATP分子の数）が確率的に変化していることを意味しており、ATPエネルギーの理解において極めて重要な発見である。
つぎに、高速原子間力顕微鏡(高速AFM)を用いたCFTRチャネルの1分子動態観察を中心とした研究を行なった。まず、単離精製した可溶化CFTR蛋白の高速AFM観察を行なった。この条件下ではCFTRはAFMステージ上で横倒位になっており、以前の単粒子解析(SPA)の結果と同様に、卵型のCFTR分子が2量体を形成しているのが確認できた。さらに、SPAでは捉えられなかった活性調節(R)ドメインと思われる構造物が、CFTR分子の細胞内側底面部で揺らいでいるのを観察できた。これは、CFTRにおけるRドメインの分子内での位置および動態についての初めての情報である。
また、上記の実験に並行して、CFTRとの比較対象の候補であるBKCaチャネルおよびSKCaチャネルの研究も行なった。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] The Power Stroke Driven by ATP Binding in CFTR As Studied by by ATP Binding in CFTR As Studied by Molecular Dynamics Simulations (2013)
  • Author(s): T. Furukawa-Hagiya
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 117 Issue: 1 Pages: 83-93
  • DOI: 10.1021/jp308315w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] チャネル1分子を動画で見たい。ABCトランスポーター CFTRチャネルのATP駆動性ゲーティング：静止画から動画へ (2013)
  • Author(s): 相馬義郎、山下隼人
  • Journal Title: 日本薬理学雑誌 Volume: 141 Pages: 230-234
  • NAID: 10031171122
• [Journal Article] Curcumin and Genistein: the combined effects on disease-associated CFTR mutants and their clinical implications. (2013)
  • Author(s): Sohma Y, Yu YC, Hwang TC
  • Journal Title: Current Pharmaceutical Design Volume: 19 Issue: 19 Pages: 3521-3528
  • DOI: 10.2174/13816128113199990320
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Amiodarone inhibits apamin-sensitive potassium currents (2013)
  • Author(s): Turker I, Yu CC, Chang PC, Chen Z, Sohma Y, Lin SF, Chen PS, Ai T
  • Journal Title: PLoS One Volume: 8 Issue: 7 Pages: e70450-e70450
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0070450
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanisms underlying regional differences in the Ca2+ sensitivity of BKCa current in arteriolar smooth muscle. (2013)
  • Author(s): Yang Y, Sohma Y, Nourian Z, Ella SR, Li M, Stupica A, Korthuis RJ, Davis MJ, Braun AP, Hill M
  • Journal Title: Journal of Physiology Volume: 591 Issue: 5 Pages: 1277-1293
  • DOI: 10.1113/jphysiol.2012.241562
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of a novel post-hydrolytic state in CFTR gating (2012)
  • Author(s): Jih KY, Sohma Y, Li M, Hwang TC
  • Journal Title: J. Gen. Physiol. Volume: 139 Issue: 5 Pages: 359-370
  • DOI: 10.1085/jgp.201210789
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Non-integral stoichiometry in CFTR gating revealed by a pore-lining mutation (2012)
  • Author(s): Jih KY, Sohma Y, Hwang TC
  • Journal Title: J. Gen. Physiol Volume: 140 Issue: 4 Pages: 347-359
  • DOI: 10.1085/jgp.201210834
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高速AFMによるCFTRチャネルのゆらぎの一分子動態観察 (2013)
  • Author(s): 相馬義郎
  • Organizer: 第90回日本生理学会年会 シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京タワーホール船堀
• [Presentation] ABC トランスポータCFTR チャネルのATP 駆動ゲーティング機構 (2013)
  • Author(s): 相馬義郎
  • Organizer: 第341 回 情報計算化学生物学会研究講演会
  • Place of Presentation: 東京大学山上会館大会議室
  • Invited
• [Presentation] 高速AFMによる膜機能分子のゆらぎの直接観察 (2013)
  • Author(s): 相馬義郎、山下隼人
  • Organizer: 平成２５年度 生理研研究会 「膜機能分子の機能・構造ゆらぎの時空間スペクトル解析」
  • Place of Presentation: 岡崎コンファレンスセンター、岡崎市、愛知県
• [Presentation] 高速AFMによるアクアポリン4チャネルの直接観察 (2013)
  • Author(s): 山下隼人、会津心之亮、加藤純悟、阿部陽一郎、安井正人、相馬義郎
  • Organizer: 第 51 回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションで探るCFTRにおける変異の影響 (2013)
  • Author(s): 小寺充彦、萩谷朋佳、古田忠臣、相馬義郎、櫻井 実
  • Organizer: 第 51 回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館
• [Presentation] CARS顕微鏡と高速原子間力顕微鏡： 上皮膜輸送研究に有用な２つの革新的測定技術 (2013)
  • Author(s): 相馬義郎、山下隼人、余 盈君、安井正人
  • Organizer: 第91回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学郡元キャンパス
• [Presentation] 高速AFMによるCFTRチャネルのゆらぎの一分子動態観察 (2013)
  • Author(s): 相馬義郎
  • Organizer: 第90回日本生理学会年会 シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 高速AFM によるCFTR チャネルの動態観察 (2012)
  • Author(s): 山下隼人、三尾和弘、三尾宗代、内橋貴之、安井正人、安藤敏夫、相馬義郎
  • Organizer: 第50回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学東山キャンパス
• [Presentation] Effects of genistein and curcumin on non-hydrolytic CFTR mutants (2012)
  • Author(s): Sohma Y
  • Organizer: 56th Biophysical Society Annual Meeting
  • Place of Presentation: San Diego, USA
• [Presentation] ABCトランスポータCFTRチャネルのATP駆動性ゲーティング：静止画から動画へ (2012)
  • Author(s): 相馬義郎
  • Organizer: 第85回日本薬理学会年会 シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都
• [Presentation] ABCトランスポータCFTRチャネルのATP加水分解駆動性ゲーティングの構造機能連関 (2012)
  • Author(s): 相馬義郎
  • Organizer: 第89回日本生理学会年会 シンポジウム
  • Place of Presentation: 松本
• [Presentation] 高速AFM によるCFTR チャネルの動態観察 (2012)
  • Author(s): 山下隼人（相馬義郎）
  • Organizer: 第50回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋
• [Presentation] ABCトランスポータ・CFTRチャネルにおけるATP加水分解の成否を決めている作動サイクル中間状態 (2011)
  • Author(s): 相馬義郎
  • Organizer: 第49回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 姫路
• [Book] Curcumin: Biosynthesis, Medicinal Uses and Health Benefits. Eds. Sasaki & Kichida (2012)
  • Author(s): Sohma Y, Yu YC, Miki H, Nakamura Y, Hanyuda A, Lin HY, Yasui M, Bompadre SG, Hwang TC
  • Total Pages: 12
  • Publisher: Nova Science Publishers, New York, USA
• [Book] Cystic Fibrosis Protocols and Diagnosis, Methods in Molecular Biology, 741 (2011)
  • Author(s): Cai Z, Sohma Y, Bompadre SG, Sheppard DN, Hwang TC
  • Total Pages: 35
  • Publisher: Humana Press, New York, USA
• [Remarks] 慶應義塾大学医学部薬理学教室
  • URL: http://www.pharm.med.keio.ac.jp/about/sohma.html
• [Remarks] Dalton Research Center, Univ of Missouri, USA
  • URL: http://dalton.missouri.edu/investigators/sohmay.php
• [Remarks] 慶應義塾大学医学部薬理学教室 教員紹介 相馬義郎
  • URL: http://www.pharm.med.keio.ac.jp/about/sohma.html
• [Remarks] Dalton Cardio Res Center, Univ. of Missouri
  • URL: http://dalton.missouri.edu/investigators/sohmay.php