2020 Fiscal Year Annual Research Report
Establishment of research base for lipid chemical biology
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20H00405
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
松森 信明 九州大学, 理学研究院, 教授 (50314357)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
老木 成稔 福井大学, 高エネルギー医学研究センター, 特命教授 (10185176)
岩本 真幸 福井大学, 学術研究院医学系部門, 教授 (40452122)
木下 祥尚 九州大学, 理学研究院, 助教 (40529517)
神田 大輔 九州大学, 生体防御医学研究所, 教授 (80186618)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 脂質 / 膜タンパク質 / ケミカルバイオロジー / 脂質ケミカルバイオロジー / KcsA / バクテリオロドプシン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「生物はなぜ多様な脂質を有するのか?」という根源的な問いが解明されていない。この答えの一つとして、膜タンパク質の構造や機能を制御するために多様な脂質が必要である、との仮説が成り立つ。一方で、脂質-膜タンパク質間相互作用解析の方法論が欠如しているため、この分野の研究が進まない現状がある。そこで本研究では、松森らが脂質膜研究で開発した分析手法および開発中の分析手法を集約化することで脂質-膜タンパク質間相互作用解析のプラットフォームを構築し、脂質機能および脂質多様性の解明を目指す。
「膜タンパク質特異的脂質の取得」
我々は表面プラズモン共鳴(SPR)センサーチップの金基盤表面を自己組織化単分子膜(SAM)で修飾することで膜タンパク質を高密度に固定化することに成功し、膜タンパク質に特異的に結合する脂質の分析を可能にした。本年度は放線菌由来のカリウムチャネルKcsAに本手法を適用し、その特異的脂質を見出すことに成功した。さらに、分担者の老木、岩本教授らと共同で、この特異的脂質がKcsAのチャネル活性を亢進させることを見出した。
一方、SPRを用いた相互作用解析方法では特異的脂質を見つけるために種々の脂質を分析する必要がある。この欠点を補うために、金ナノ粒子をSAMで修飾し、これに膜タンパク質を固定化することで、膜タンパク質特異的脂質を簡便に取得する手法を発案した。本年度はバクテリオロドプシン(bR)を用いて本アイデアの検証を行い、方法論としてほぼ完成に至った。
「膜タンパク質の会合状態に対する脂質の効果」
膜タンパク質の離合集散が活性や機能を制御している例は多いが、脂質がそれに関与している可能性を探る。すでに我々はbRが特異的脂質S-TGA-1によって三量化することを報告した。本年度はもう一つの特異的脂質であるPGP-MEによってその三量体がより高度に集積することを示唆する結果を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「膜タンパク質特異的脂質の取得」
カリウムチャネルKcsAと脂質の相互作用に関して、今回特異的脂質が脂質膜の外葉に存在するだけでチャネル活性が亢進することを新たに見出した。これまでKcsAが内葉の脂質と相互作用することは報告されていたが、外葉の特異的脂質と相互作用しチャネル活性を亢進するという新発見に至った。さらにKcsAに変異を導入することで、この特異的脂質の相互作用部位に関する知見を得ることができ、インパクトのある成果となった。
また金ナノ粒子を用いた膜タンパク質特異的脂質の取得に関しても、方法論としてほぼ完成させることができた。これにより特異的脂質の同定が簡便化できる。本手法の成否は本申請課題の根幹となるものであり、さらに本手法は膜タンパク質に結合する薬剤の探索にも応用できるので、大きな波及効果が期待できる。
「膜タンパク質の会合状態に対する脂質の効果」
PGP-MEがバクテリオロドプシン三量体をさらに会合させるとの予備的な知見を得ることができ、脂質が膜タンパク質の離合集散に関与するとの知見を得ることができた。一方で、特異的脂質とタンパク質の共結晶作成に関しては2020年度はコロナの影響もあり、思うように進捗しなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
「膜タンパク質特異的脂質の取得」
金ナノ粒子を用いた方法論を完成させ、カリウムチャネルKcsAやその他の膜タンパク質にこれを適用していく。また、本手法は膜タンパク質に結合する薬剤の探索にも応用できるので、この検討も行う。
「膜タンパク質の会合状態に対する脂質の効果」
上述のように、PGP-MEによってバクテリオロドプシンの三量体がより高度に集積することを示唆する結果を得たので、この結果をさらに検討し、PGP-MEの役割を明らかにする。また、カリウムチャネルKcsAは安定な四量体を形成するが、チャネルが閉じている際には四量体が膜中で集積し、チャネルが開く際には膜中で分散することが知られている。このような離合集散に関しても脂質の関与を検討する。
「特異的脂質とタンパク質の共結晶作成」
特異的脂質と膜タンパク質の共結晶を作成し、複合体構造のX線結晶構造解析を行う。膜タンパク質を膜環境に近い状態で結晶化させる手法として、バイセル法などが知られている。ここに特異的脂質を加えることで、特異的脂質と膜タンパク質の共結晶を作成していく。具体的には、バクテリオロドプシンの特異的脂質であるS-TGA-1存在下でバクテリオロドプシンのバイセル結晶化を行い、バクテリオロドプシンとS-TGA-1の相互作用様式および三量体形成機構を詳細に解析する。
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Research Products
(19 results)
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[Journal Article] Defining raft domains in the plasma membrane2020
Author(s)
Kusumi Akihiro、Fujiwara Takahiro K.、Tsunoyama Taka A.、Kasai Rinshi S.、Liu An‐An、Hirosawa Koichiro M.、Kinoshita Masanao、Matsumori Nobuaki、Komura Naoko、Ando Hiromune、Suzuki Kenichi G. N.
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Journal Title
Traffic
Volume: 21
Pages: 106～137
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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