有機分子の排出にかかわる膜輸送体の構造生物学

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H03640
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 石谷 隆一郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 客員共同研究員 (90361568)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: Ｘ線結晶構造解析 / 膜タンパク質 / 多剤耐性菌 / 薬物動態

Outline of Annual Research Achievements

真核生物由来MATEに関しては，昨年度、シロイヌナズナ由来MATE輸送体AtDTX14の外向き開状態の構造を2.6オングストローム分解能で決定し、構造に基づいた変異体解析を行い、輸送機構を検証した。以上の結果は、Nature Communications誌に掲載された。
さらに、真核生物由来MATEに関して、構造に基づいたMDシミュレーションを行った。外向き開状態から、内向き開状態への構造変化メカニズムを調べるために、内向き開状態のモデル構造をホモログである脂質フリッペースMOPの構造をもとにモデリングし、シミュレーションを行った。数百ナノ秒程度のシミュレーションでは自発的には構造変化が見られなかったため、Targeted MDを用いて力をかけたうえで構造変化のパスウェイの検討を行っている。細胞外側のN-bundleとC-bundle側のインターフェイスに力をかけ、結晶構造で見られた距離から、モデル構造に対応する距離まで開くように大きなひずみなしに構造変化がシミュレーションできることが分かった。現在、構造変化の自由エネルギー障壁とH+結合による変化を解明すべく計算を進めている。一方で、真正細菌由来のMATEについても構造解析を行った。VcmNは病原菌ビブリオ由来のMATEであるが、すでに構造解析されている真正細菌由来MATEが属するNorMサブファミリーとは異なり、我々のグループで構造解析を行った古細菌由来PfMATEと同じDinFサブファミリーに属する。我々は、DinFの輸送メカニズムとしてH+駆動力依存的に膜貫通ヘリックスTM1が折れ曲がることで基質を排出するメカニズムを提唱していたが、海外のグループから異論が出されていた。しかしながら、本構造解析の結果からは、細菌由来DinFであるVcmNも、PfMATE同様のH+駆動力依存的なTM1折れ曲がりにより基質が排出されることが示唆され、我々の提唱したメカニズムの正しさが古細菌以外の生物においても正しいことが実証される形となった。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

植物由来MATEに加え、新規の細菌由来MATEについても論文を公表し、予定通り計画が進んでいるといえる。さらに、MATEの構造変化メカニズムを解析するためのMDシミュレーションも進めており、予備的な結果が得られている．

Strategy for Future Research Activity

今後，哺乳類由来MATEに関しては，構造解析可能なレベルの量・純度・安定性を有する発現系の網羅的探索と結晶化スクリーニングをすすめる．一方で、植物MATEについても、基質複合体の構造が依然得られていないため、今後、いくつかの既知の基質について複合体の結晶化を試み、構造解析を進める。また、MATEのMDシミュレーションをさらに進め、構造変化メカニズムをあきらかにしていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Vanderbilt University Medical Center/Nashville, TN 37232(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Vanderbilt University Medical Center/Nashville, TN 37232
• [Journal Article] Crystal structure of the Agrobacterium tumefaciens type VI effector-immunity complex. (2018)
  • Author(s): Fukuhara S, Nakane T, Yamashita K, Ishii R, Ishitani R, Nureki O
  • Journal Title: Acta Crystallogr. F Struct. Biol. Commun. Volume: 74 Pages: 810-816
  • DOI: doi: 10.1038/s41477-019-0367-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cap-specific terminal N6-methylation of RNA by an RNA polymerase II-associated methyltransferase. (2018)
  • Author(s): Akichika S, Hirano S, Shichino Y, Suzuki T, Nishimasu H, Ishitani R, Sugita A, Hirose Y, Iwasaki S, Nureki O, Suzuki T
  • Journal Title: Science Volume: 363 Pages: eaav0080
  • DOI: doi: 10.1126/science.aav0080
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural Basis of H+-Dependent Conformational Change in a Bacterial MATE Transporter (2018)
  • Author(s): Kusakizako T, Claxton DP, Tanaka Y, Maturana AD, Kuroda T, Ishitani R, Mchaourab HS, Nureki O
  • Journal Title: Structure Volume: 27 Pages: 293-301
  • DOI: doi: 10.1016/j.str.2018.10.004
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural insights into cGAMP degradation by Ecto-nucleotide pyrophosphatase phosphodiesterase 1 (2018)
  • Author(s): Kato K, Nishimasu H, Oikawa D, Hirano S, Hirano H, Kasuya G, Ishitani R, Tokunaga F, Nureki O
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 9 Pages: 4424
  • DOI: doi: 10.1038/s41467-018-06922-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Vibrational and Molecular Properties of Mg2+ Binding and Ion Selectivity in the Magnesium Channel MgtE (2018)
  • Author(s): Kimura T, Lorenz-Fonfria VA, Douki S, Motoki H, Ishitani R, Nureki O, Higashi M, Furutani Y
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 122 Pages: 9681-9696
  • DOI: doi: 10.1021/acs.jpcb.8b07967
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An Atomistic Model of a Precursor State of Light-Induced Channel Opening of Channelrhodopsin (2018)
  • Author(s): Cheng C, Kamiya M, Takemoto M, Ishitani R, Nureki O, Yoshida N, Hayashi S
  • Journal Title: Biophys J. Volume: 115 Pages: 1281-1291
  • DOI: doi: 10.1016/j.bpj.2018.08.024
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Free Energy Landscape for the Entire Transport Cycle of Triose-Phosphate/Phosphate Translocator (2018)
  • Author(s): Takemoto M, Lee Y, Ishitani R, Nureki O
  • Journal Title: Structure Volume: 26 Pages: 1284-1296
  • DOI: doi: 10.1016/j.str.2018.05.012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Engineered CRISPR-Cas9 nuclease with expanded targeting space (2018)
  • Author(s): Nishimasu H, Shi X, Ishiguro S, Gao L, Hirano S, Okazaki S, Noda T, Abudayyeh OO, Gootenberg JS, Mori H, Oura S, Holmes B, Tanaka M, Seki M, Hirano H, Aburatani H, Ishitani R, Ikawa M, Yachie N, Zhang F, Nureki O
  • Journal Title: Science Volume: 361 Pages: 1259-1262
  • DOI: doi: 10.1126/science.aas9129
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cryo-EM structures of the human volume-regulated anion channel LRRC8 (2018)
  • 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
  • Journal Title: Nat Struct Mol Biol. Volume: 25 Pages: 797-804
  • DOI: doi: 10.1038/s41594-018-0109-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Functional roles of Mg2+ binding sites in ion-dependent gating of a Mg2+ channel, MgtE, revealed by solution NMR (2018)
  • Author(s): Maruyama T, Imai S, Kusakizako T, Hattori M, Ishitani R, Nureki O, Ito K, Maturana AD, Shimada I, Osawa M
  • Journal Title: Elife Volume: 7 Pages: e31596
  • DOI: doi: 10.7554/eLife.31596
  • Peer Reviewed / Open Access