2019 Fiscal Year Annual Research Report
Structural Basis for drug transport by ABC transporters
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17K07306
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
小段 篤史 京都大学, 高等研究院, 特定助教 (80360543)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
HIPOLITO CHRIS 筑波大学, 医学医療系, 助教 (20759914)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 生体分子 / タンパク質 / 膜タンパク質 / ABC輸送体 / 分子メカニズム / 立体構造 / 機能 / ATP |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ABC輸送体、とりわけP糖蛋白質が、「どのような仕組みで薬物を認識し輸送しているのか？」、その分子メカニズムの詳細な立体構造基盤はこれまで未解明であり、その解明はABC蛋白質全般の機能を考える上で科学的に重要であった。これまでに内向型（輸送前）と外向型（輸送後）の双方の結晶構造を同一のP糖蛋白質で明らかにした例はなく、研究代表者らは世界に先駆けて同一のP糖蛋白質オーソログの両結晶構造を高分解能で決定した。とりわけ外向型（輸送後）構造は、これまでに決定されたABC輸送体の立体構造の中で最高分解能の1.9オングストロームで決定することに成功した。両者を原子レベルで厳密に比較することにより、当輸送体の動作原理の理解を飛躍的に向上させた。すなわち、「ATP 結合ドメインが二量体化すると、膜貫通ドメインのねじれと回転が引き起こされ、膜貫通ドメイン中央に位置する空洞(基質結合部位を含む)が、歯磨き粉のチューブを絞るように細胞内側から収縮し、それと相まって細胞外ゲートが開くため、薬物は細胞外へ排出される」という、P糖蛋白質に特有の新たな動作原理モデルの提唱に至った。モデルの妥当性を検証するため、結晶構造を基に設計した100種類以上の変異体について、生化学的および物理化学的解析を実施し、薬物輸送やATP加水分解活性などの機能、および、立体構造の相関を解析することにより、当動作原理モデルの正当性を証明した(Kodan et al., Nature Commun., 2019）。さらに、ヒトP糖蛋白質を対象とした研究の結果、ヒト生細胞においても、P糖蛋白質がATP結合およびATP加水分解に伴い構造変換する様子を明確に捉えることに成功し、当動作モデルの正当性が強く支持された(Futamanta et al., J. Biol. Chem., 2020)。
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