P型イオンポンプによる能動輸送機構の構造的解明

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14GS0308
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 豊島 近 東京大学, 分子細胞生物学研究所, 教授 (70172210)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 木寺 詔紀 横浜市立大学, 大学院・総合理学研究科, 教授 (00186280) ; 津田 岳夫 東京大学, 分子細胞生物学研究所, 助手 (10345233) ; 杉田 有治 東京大学, 分子細胞生物学研究所, 講師 (80311190) ; 鈴木 裕 旭川医科大学, 医学部, 教授 (50183421)
• Keywords: 生物物理 / 能動輸送 / 膜蛋白質 / イオンポンプ / X線結晶解析 / ATPase

Research Abstract

本研究の第一の目標は筋小胞体カルシウムATPaseのすべての構造をX線結晶解析により決定することである。昨年結晶は得られたが構造決定に至らなかったE1ATPとE1P・ADP状態に関し、まず重原子置換体の作成を試みた。可能な重原子化合物をすべて試したが有用なものは結局一つも得られなかった。幸い、分子置換法を再度試みたところ、正しい解が得られ、対称性の異なる2つの結晶に関しても同一であった。この結果、予想通り、ATPが細胞質ドメインNとPを架橋すること、その結果Aドメインの向きが変わり、膜貫通ヘリックスM1が引っ張りあげられる結果、膜内結合部位にあるカルシウムイオンが「隔離」されることがわかった。また、E1ATPとE1P・ADP状態の構造は燐酸まわりをのぞいて同一であることも判った。本研究の第二の目標は分子動力学計算による構造変化の理解である。安定したシミュレーションが可能になったので、本年度は、比較的短時間のシミュレーションでも済むと期待される、カルシウム結合部位に変異を導入した場合の計算を行った。この結果は生化学的実験の結果を大変よく説明するものであり、一見使われていないサイトIのカルボキシル基の酸素原子が、実は二つのサイトの協同性の実現に重要であることが判った。さらに、pKa計算を行って、カルシウム結合時と非結合時でのプロトン化率を求めたところ、プロトンの対抗輸送に関する実験結果をよく説明する結果が得られた。このように、本年度はイオンの能動輸送機構の解明に向けて大きく前進することができた。

Research Products

• [Publications] C.Toyoshima: "Structural basis of ion pumping by Ca^<2+>-ATPase of sarcoplasmic reticulum."FEBS Letters. 555. 106-110 (2003)
• [Publications] H.Ma: "Substrate-induced conformational fit and headpiece closure in the Ca^<2+>-ATPase (SERCA)."J.Biol.Chem.. 278. 28938-28943 (2003)
• [Publications] C.Toyoshima: "Modeling of the inhibitory interaction of phospholamban with the Ca^<2+>-ATPase."Proc.Nat.Acad.Sci.USA. 100. 467-472 (2003)