Direct visualization of functional basis in voltage-dependent ion-channels

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K06172
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 重松 秀樹 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 研究員 (00415928)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 膜電位 / イオンチャネル / 電位依存性

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、膜電位依存的なイオンチャネルの機能構造を明らかにするために、脂質小胞に再構成したイオンチャネルの構造クライオ電子顕微鏡単粒子解析によ り取得し、脂質小胞に異なる膜電位を印加した際のチャネルの電位依存的な構造変化を解像することを目的にしている。これまでに米国Yale大学のFred Sigworth教授と共に方法論開発を進めており、電位センサーである膜貫通ヘリックスの相対配置の解像に成功している(膜電位 0 mV相当)。初年度にあたる平 成30年度において、大量のデータを用いて分解能を5オングストローム程度に引き上げることを計画したが、支持膜として用いているアモルファス炭素膜からの ノイズのために分解能の向上が得られなかった。昨年度は、代替としてグラフェン支持膜の利用を試みた。市販のものと、自作のものと比較しながら条件検討を 行なったが、自作の物については、大きなエリアを転写し、利用することが困難であることがわかり、大量のデータ取得を計画していることから市販品の利用に 切り替えた。昨年度から所属先にクライオ専用の200kV TEMが導入され、自動試料装填装置、直接電子検出装置といったオプションを利用して、自ら大量のデー タを取得する環境を得た。グラフェンの評価、実際に脂質小胞を使った実験を重ね、グラフェンそのものでは、脂質小胞との相性に問題があることがわかった。 現在、表面の科学修飾による効果を検討している。また、その一方で、アモルファス炭素支持膜の作製方法を再検討し、薄くて丈夫な膜を作製することに成功し た。現在、この支持膜を用いて大量のデータを取得しており、一部のデータを用いた解析では、大幅なノイズの低減が見られており、こちらについても検討を継 続する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Yale University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Yale University
• [Journal Article] Cryo-EM Structure of the Prostaglandin E Receptor EP4 Coupled to G Protein (2021)
  • Author(s): Nojima Shingo、Fujita Yoko、Kimura Kanako Terakado、Nomura Norimichi、Suno Ryoji、Morimoto Kazushi、Yamamoto Masaki、Noda Takeshi、Iwata So、Shigematsu Hideki、Kobayashi Takuya
  • Journal Title: Structure Volume: 29 Pages: 252～260.e6
  • DOI: 10.1016/j.str.2020.11.007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cryo-EM structures of Toll-like receptors in complex with UNC93B1 (2021)
  • Author(s): Ishida Hanako、Asami Jinta、Zhang Zhikuan、Nishizawa Tomohiro、Shigematsu Hideki、Ohto Umeharu、Shimizu Toshiyuki
  • Journal Title: Nature Structural & Molecular Biology Volume: 28 Pages: 173～180
  • DOI: 10.1038/s41594-020-00542-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] GTP-dependent formation of straight tubulin oligomers leads to microtubule nucleation (2021)
  • Author(s): Ayukawa Rie、Iwata Seigo、Imai Hiroshi、Kamimura Shinji、Hayashi Masahito、Ngo Kien Xuan、Minoura Itsushi、Uchimura Seiichi、Makino Tsukasa、Shirouzu Mikako、Shigematsu Hideki、Sekimoto Ken、Gigant Benoit、Muto Etsuko
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 220 Pages: e202007033
  • DOI: 10.1083/jcb.202007033
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electron cryo-microscopy for elucidating the dynamic nature of live-protein complexes (2020)
  • Author(s): Shigematsu Hideki
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects Volume: 1864 Pages: 129436～129436
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2019.129436
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural analysis reveals TLR7 dynamics underlying antagonism (2020)
  • Author(s): Tojo Shingo、Zhang Zhikuan、Matsui Hiroyuki、Tahara Masahiro、Ikeguchi Mitsunori、Kochi Mami、Kamada Mami、Shigematsu Hideki、Tsutsumi Akihisa、Adachi Naruhiko、Shibata Takuma、Yamamoto Masaki、Kikkawa Masahide、Senda Toshiya、Isobe Yoshiaki、Ohto Umeharu、Shimizu Toshiyuki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Pages: 5204
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19025-z
  • Peer Reviewed / Open Access