小胞体Ca^<2+>ポンプの構造機能連関及びその異常によるダリエー病発症の機構

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14580639
• Research Institution: Asahikawa Medical College
• Principal Investigator: 鈴木 裕 旭川医科大学, 医学部, 教授 (50183421)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加藤 早苗 旭川医科大学, 医学部, 助手 (80291061) ; 山崎 和生 旭川医科大学, 医学部, 助手 (60241428) ; 大保 貴嗣 旭川医科大学, 医学部, 助教授 (90207267)
• Keywords: 小胞体 / Ca^<2+>-ATPase / カルシウムポンプ / ダリエー病 / SERCA / P-type ATPase / 能動輸送 / リン酸化中間体

Research Abstract

小胞体Ca^<2+>ポンプはATP分解にエネルギー共役してCa^<2+>を細胞質から小胞体内腔に輸送し、細胞Ca^<2+>動態を制御する。我々はCa^<2+>輸送過程でポンプの細胞質3ドメイン(N, P, A)の集合状態が顕著に変化すること、特に自己リン酸化反応中間体(EP)の構造異性化(E1P→E2P)ではAドメインが90°以上も回転しP, Nドメインに固く結合することを発見し、これによって得られる構造エネルギーがCa^<2+>輸送部位(膜貫通ドメイン)に伝達されその構造を変化させて小胞体内腔へのCa^<2+>放出を引き起こすことを示唆した。本研究では先ず下記のように、部位特異的変異と速度論的解析により、細胞質ドメインの動きと相互作用を担う領域を明らかにして機能の具体を解明した。
1.Aドメイン先端Val200ループはE2PにおけるA-Pドメインの強い結合を可能にして、内腔へのCa^<2+>放出に必要な構造エネルギーを産出することを明らかにした。
2.Pドメイン/M4連結領域のArg334とAドメイン/M2連結領域のTyr122は、それぞれリン酸化中間体の異性化反応とそれに続くCa^<2+>放出に必須なAとPドメインの動きおよび相互作用を可能にして、細胞質触媒部位とCa^<2+>輸送部位間のエネルギー共役に必須な役割を果たす。
3.AドメインとM1を連結するGlu40-Ser48ループはその適切な長さにより、リン酸化中間体の異性化反応におけるAドメインの大きな動きとそれに連動したM1の構造変化を可能にする。
他方、リン酸化中間体構造解明に供するため、この中間体の安定な構造類似体を開発し、さらに3次元結晶化可能な条件を確立した。
また、ダリエー病原因遺伝子変異(Δ41,Δ42,N39D, N39Tの4家系における変異)のCa^<2+>ポンプに対する影響を明らかにして、分子レベルからの発症機序解明に貢献した。

Research Products

• [Publications] Stefania Danko, Kazuo Yamasaki, Takashi Daiho, Hiroshi Suzuki: "Distinct Natures of Be/F-bound, Al/F-bound, and Mg/F-bound Stable Analogues of ADP-insensitive Phosphoenzyme Intermediate of Sarcoplasmic Reticulum Ca^<2+>-ATPase : Changes in catalytic and transport sites during phosphoenzyme hydrolysis"The Journal of Biological Chemistry. 279(In press). (2004)
• [Publications] Kazuo Yamasaki, Takashi Daiho Stefania Danko, Hiroshi Suzuki: "Multiple and Distinct Effects of Mutations of Tyr^<122>, Glu^<123>, Arg^<324>, and Arg^<334> Involved in Interactions between the Top Part of Second and Fourth Transmembrane Helices in Sarcoplasmic Reticulum Ca^<2+>-ATPase"The Journal of Biological Chemistry. 279・3. 2202-2210 (2004)
• [Publications] Takashi Daiho, Kazuo Yamasaki, Guoli Wang, Stefania Danko, Hajime Iizuka, Hiroshi Suzuki: "Deletions of any single residues in Glu^<40>-Ser^<48> loop connecting a domain and the first transmembrane helix of sarcoplasmic reticulum Ca^<2+>-ATPase result in almost complete inhibition of conformational transition and hydrolysis of phosphoenzyme intermediate"The Journal of Biological Chemistry. 278・40. 39197-39204 (2003)
• [Publications] Sanae Kato, Mika Kamidochi, Takashi Daiho, Kazuo Yamasaki, Wang Gouli, Hiroshi Suzuki: "Val^<200> residue in Lys^<189>-Lys^<205> outermost loop on the A domain of sarcoplasmic reticulum Ca^<2+>-ATPase is critical for rapid processing of phosphoenzyme intermediate after loss of ADP sensitivity"The Journal of Biological Chemistry. 278・11. 9624-9629 (2003)
• [Publications] T.Wada, Y.Shirakata, H.Takahashi, S.Murakami, H.Iizuka, H.Suzuki, K.Hashimoto: "A Japanese case of segmental Darier's disease caused by mosaicism for the ATP2A2 mutation"British Journal of Dermatology. 149. 185-188 (2003)
• [Publications] Kazuo Yamasaki, Takashi Daiho, Hiroshi Suzuki: "Remarkable Stability of Solubilized and Delipidated Sarcoplasimc Reticulum Ca2+-ATPase with Tightly Bound Fluoride and Magnesium against Detergent-induced Denaturation"The Journal of Biological Chemistry. 277・16. 13615-13619 (2002)
• [Publications] 鈴木 裕: "カルシウムポンプの反応中間体アナログ開発と部位特異的変異によるエネルギー共役の解析"生物物理. 43. S10 (2003)
• [Publications] Yamasaki Kazuo, Daiho Takashi, Suzuki Hiroshi: "Roles of ionic interactions between P and N domains of sarcoplasmic reticulum Ca^<2+>-ATPase"生化学. 75・8. 965 (2003)
• [Publications] Suzuki Hiroshi, Yamasaki Kazuo, Daiho Takashi, Miyauchi Yuki, Iizuka Hajime, Danko Stefania: "Structure and function of Ca^<2+> pump and the molecular basis of genetic diseases caused by its mutations"生化学. 75・8. 762 (2003)
• [Publications] Daiho Takashi, Yamasaki Kazuo, Danko Stefania, Suzuki Hiroshi: "Roles and mechanism of domain movements and interactions in the Ca^<2+> pump"生化学. 75・8. 774 (2003)
• [Publications] 鈴木 裕: "Ca^<2+>ポンプの構造/機能連関および遺伝子異常と細胞病態"生化学. 75・9. 1215-1224 (2003)
• [Publications] 山崎 和生, 大保 貴嗣, 鈴木 裕: "筋小胞体Ca^<2+>-ATPaseの細胞質ドメインに存在するイオンペアの役割"生化学. 74・8. 1023 (2002)
• [Publications] 大保 貴嗣, 山崎 和生, 王 国麗, Danko Stefania, 鈴木 裕: "筋小胞体Ca^<2+>-ATPaseのAドメイン-膜貫通ヘリックス連結領域の部位特異的変異"生化学. 74・8. 1023 (2002)
• [Publications] 鈴木 裕: "筋小胞体Ca^<2+>による分子構造変化--カチオン輸送エネルギー共役の戦略"蛋白質核酸酵素. 47・14. 1947-1948 (2002)
• [Publications] 鈴木 裕: "シリーズ・バイオサイエンスの新世紀 Vol.12「感覚 器官と脳内情報処理」Ca^<2+>ポンプ"日本生化学会・共立出版. 8 (2002)