2018 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular mechanism of membrane proteins regulated by physical stimuli
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16H06294
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
濡木 理 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10272460)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 耕一 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (10262073)
MATURANA ANDRES 名古屋大学, 生命農学研究科, 准教授 (10452004)
石谷 隆一郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任教授 (90361568)
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| Project Period (FY) |
2016-04-26 – 2021-03-31
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| Keywords | 生物物理 / 電子顕微鏡 / X線 / 蛋白質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光感受性チャネル：チャネルロドプシンのイオン流入の分子機構を明らかにするため、SACLA自由電子レーザーを用いた時分割構造解析を行い、励起光照射した後 1, 50, 250, 1000, 4000マイクロ秒後における構造変化を明らかにした。その結果、発色団レチナールにおけるall-trans型から13-cis型への異性化に伴ってレチ ナールが横方向への転移に伴い、膜貫通へリックスが玉突き様に構造変化し、イオン透過経路における狭窄部位が広げられるように変化することがわかった。さらに構造変化が著しかったアミノ酸残基に変異を導入すると光電流が減弱した。論文をまとめてScienceにリバイズ中である。また最長波長で活性化されるChRであるChrimsonの結晶構造解析に成功し、構造に基づいてさらに20nm長波長シフトし、かつ木下ティクスの上がる改変体の創出に成功し、Nat. Commun.に論文を発表した。 音の増幅に働く，ヒト由来Prestinは。コンストラクションを工夫することで、世界で初めてCryo-EMにより立体構造を解明し、電位依存的に膜を振動させる機構を解明した．また電位依存的にCl-が移動し、prestinの動きを制御するメカニズムを提唱し、変異体解析を行っている。温度感受性チャネル：TRPV3に関して、ナノディスクを用いて脂質中の構造をCryo-EMを用いて3.2Aで決定した結果、脂質に依存して温度依存的にチャネルが開閉 する機構を明らかにした。変異体解析によりメカニズムを検証している。 機械刺激チャネル：細胞体積の調節に働く浸透圧感受陰イオンチャネル、LRRC8の構造を様々な状態でCryo-EMを用いて決定した結果、細胞内のイオン強度によっ てチャネルが開閉する機構を示唆することに成功し、Nat. Struct. Mol. Biol.に発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
光感受：最も長波長に吸収ピークをもつChR である Chrimson の構造を2.8Aにて決定し、立体構造に基づいて理論的な設計を行うことで、さらに20nm長波長シフトし、世界最長の吸収波長を持つChrimson-SAを創出することに成功し、神経科学の発展大きく寄与した（Nat. Commun.に発表）。さらに、ChRのX線自由電子 レーザーを用いた分子動画解析を行い、光受容に伴ってチャネルが開く機構を解明することに成功し、論文がScienceにリバイズ中である。音感覚：さらに音感受性機械刺激チャネルTMC-2に関して、コンストラクションを工夫することで、Cryo-EMを用いた単粒子解析に適した試料調製に成功し、構造解析を進めている。また、音感を増幅する電位依存性モータータンパク質Prestinの構造解析に世界で初めて成功し、音感増幅の機構を解明した。温度感受：TRPV3に関して、ナノディスクを用いて脂質中の構造をCryo-EMを用い て3.2Aで決定した結果、脂質に依存して温度依存的にチャネルが開閉する機構を明らかにした。浸透圧感受：LRRC8は近年同定されたCl-イオンチャネルで、細胞 膨張を感知してCl-イオンを細胞外へと放出することで、細胞体積の維持に寄与する。これまでの解析からLRRC8は６量体を形成して機能することが知られている ものの、その詳細な立体構造が報告された例は無かった。本研究では、Cryo-EMを用いてLRRC8A(6)の立体構造を4.25A（膜貫通領域は3.8A）分解能で明らかにし、 イオン透過孔形成機構やチャネル活性化機構を明らかにすることに成功し、Nat. Struct. Mol. Biol.に発表した 。またLRRC8D(6)の構造決定に成功し、N末端の へリックスがふたのように働いて、イオン透過を調節している機構を発見した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ChRのXFELを用いた時分割構造解析に関しては、現在論文がScienceにリバイズ中であり、おおむね良好なコメントをもらっているので、これを受理に持っていく。浸透圧感受により細胞体積を変化させるLRRC8チャネルに関し ては、LRRC8D(6)の構造が解けており、N端へリックスによるゲーティング機構を変異体解析により解明し、論文がCommun. Biol.に受理された。また、音感チャネルTMC に関しては、liposome patchによりシングルチャネル電流が観測されており、様々な生物種のTMCチャネルをスクリーニングしてクライオ電顕単粒子解析を目指 す。プレスチンに関しても、Cryo-EMで驚くべき構造が解けたので、電気生理解析を用いた変異体解析を行い、一刻も早い論文化を目指している。さらに温度センサーで あるTRPV3に関しても、脂質依存的なチャネルの開閉機構を明らかにしており、論文がNat. Struct. Mol. Biol.に受理された。さらに、阻害剤や温度変化による構造変化をCryoEMを用いて解明し、温度依存的なチャネルの開閉機構の全容を解明する。さらに電位依存性Cl-チャネルVCCN1や電位依存性ATPチャネルCALHM1,2のCryo-EMを用い た構造解析に高分解能で成功しており、現在電気生理解析を用いた変異体解析を行っており、数カ月以内に論文を投稿する。
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Research Products
(8 results)
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[Journal Article] Crystal structure of plant vacuolar iron transporter VIT12019
Author(s)
Kato T, Kumazaki K, Wada M, Taniguchi R, Nakane T, Yamashita K, Hirata K, Ishitani R, Ito K, Nishizawa T, Nureki O
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Journal Title
Nature Plants
Volume: 5
Pages: 301-315
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Cap-specific Terminal N 6-methylation of RNA by an RNA Polymerase II-associated Methyltransferase2018
Author(s)
Akichika S, Hirano S, Shichino Y, Suzuki T, Nishimasu H, Ishitani R, Sugita A, Hirose Y, Iwasaki S, Nureki O, Suzuki T
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Journal Title
Science
Volume: 363
Pages: eaav0080
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Cryo-EM structures of the human volume-regulated anion channel LRRC82018
Author(s)
Kasuya G, Nakane T, Yokoyama T, Jia Y, Inoue M, Watanabe K, Nakamura R, Nishizawa T, Kusakizako T, Tsutsumi A, Yanagisawa H, Dohmae N, Hattori M, Ichijo H, Yan Z, Kikkawa M, Shirouzu M, Ishitani R, Nureki O.
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Journal Title
Nature Structural Molecular Biology
Volume: 25
Pages: 797-804
DOI
Peer Reviewed
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