Study for functional mechanism of membrane protein complexes from the perspective of self-organization using single molecule direct observations.

2019 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 16H05122
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: General physiology
• Research Institution: International University of Health and Welfare (2017-2019); Keio University (2016)
• Principal Investigator: Sohma Yoshiro 国際医療福祉大学, 薬学部, 教授 (60268183)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 膜蛋白複合体 / 抗原ー抗体反応 / 分子間相互作用 / １分子直接観察 / 高速原子間力顕微鏡 / 脂質２重膜 / ラフト / アクアポリン

Outline of Final Research Achievements

In this study, we attempted direct observations for dynamics of membrane protein complex in the membrane rafts using using a high-speed atomic force microscopy (HS-AFM).
First we succeed to establish a method for purifying functional membrane proteins, e.g. Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator (CFTR) and Aquaporin 4 (AQP4), and reconstituting them in a lipid bilayer. First we observed single molecular dynamics of CFTR and succeeded to identify large fluctuation of presumable NBD and R-domain of CFTR protein. Next we successfully visualized the single molecule dynamics of the anti-AQP4 monoclonal antibodies interacting with AQP4 molecules forming a supramolecular orthogonal array structure reconstituted in lipid membrane, which initiates a severe immune-disease in human, Neuromyelitis Optica (NMO).
We also study disease-associated CFTR mutants causing a life-shorten disease Cystic Fibrosis, which should be important research targets in near future.

Free Research Field

分子生理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

医学・生理学的に重要な生命プロセスの多くは、必要に応じて生体膜上で機能性膜蛋白が集合して形成された膜蛋白/脂質ラフト高次機能複合体によって遂行されている。この動的な膜蛋白複合体の動作機構の解明は、医学生理学の大きな進歩に繋がると期待されるが、機能面および静止構造についての研究はあっても、分子動態についての直接的な測定データが乏しく、その分子レベルでの動的なメカニズムについてはほとんど解っていない。
本研究では、高速原子間力顕微鏡を用いて、機能中の膜蛋白複合体の動態の1分子レベルで直接観察・解析するための基盤技術の開発に挑戦し、初期段階として満足できる成果をあげることに成功した。