Molecular mechanisms of lipid-protein interactions focusing on tension-sensing amino acids

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K22634
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: 野村 健 兵庫県立大学, 環境人間学部, 准教授 (10706790)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2022-03-31
• Keywords: 機械受容チャネル / メカノセンサー / 細胞膜張力 / タンパク質-脂質相互作用 / 大腸菌 / MscL / パッチクランプ法 / 電気生理学

Outline of Annual Research Achievements

大腸菌機械受容チャネルMscLは、細胞膜からの張力を直接感知し構造を変化させ開口するが、その開閉機構については未だ不明な点が多い。本研究では細胞膜からの張力を最も感知していると考えられるMscLのPhe-78に焦点を当て、これを他の19種類のアミノ酸残基に置換した突然変異体（F78X MscL）を作成し、MscLの張力感知機構を明らかにすることを目標に研究を進めてきた。これまでの研究で、細胞膜上にチャネルタンパク質を過剰発現させると細胞増殖パターンが異なるMscL突然変異体を見出した。また、低浸透圧ショックを与え、その後の生存率を測定したところ、酸性および塩基性アミノ酸に置換した突然変異体において生存率が著しく低下することを明らかにした。この成果を発展させ、今年度は、F78X MscL突然変異体を過剰発現させた巨大スフェロプラストを用いて、機械刺激に対する応答を電気生理学的に解明した。内在性のMscSを内部標準とした閾値比（MscSおよびMscLが最初に開いた時の圧力比：MscL/MscS）より機械刺激感受性を評価したところ、酸性および塩基性アミノ酸に置換した突然変異体ではチャネル活性を確認することができなかった。また、単一分子レベルでのイオン電流の挙動を調べたところ、疎水性アミノ酸残基に置換した突然変異体では、野生型と同様、または急速なフリッカリングを示した。一方、親水性アミノ酸に置換した突然変異体においては、野生型と同様、急速なフリッカリングおよび開口時間が長い等の特徴を示した。以上の結果より、細胞膜からの張力感知はアミノ酸残基の特性に大きく依存していることが明らかとなった。