2014 Fiscal Year Annual Research Report
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24227004
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
濡木 理 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (10272460)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 耕一 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (10262073)
MATURANA ANDRES 名古屋大学, 生命農学研究科, 准教授 (10452004)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | X線結晶構造解析 / 計算機シミュレーション / パッチクランプ / 遺伝学解析 / 膜輸送体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
＜Ca2+/H+トランスポーターCAX＞ Ca2+/カチオン交換輸送体（CaCA）の機能不全は，ヒトにおいて高血圧を惹起する．我々は， Ca2+/H+交換輸送体CAXの結晶構造を 2.3Å分解能で決定した結果，コアドメインとゲーティングバンドルから構成されることが明らかになった（Science, 2013）．既に発表されているCa2+/Na+交換輸送体の構造が細胞外開構造であったのに対し，本構造は細胞内開構造であった．2つの構造の比較から，CaCAは，ゲーティングバンドルがコアの上の疎水性パッチ上を滑ることにより，ゲーティングへリックスが半回転し，その上の親水性クラスターが，細胞外側の透過孔を向いたり，細胞内の透過孔を向くことを繰り返すことで，細胞外開構造と細胞内開構造の間を構造変化することを明らかにした．さらに，ゲーティングバンドルが滑るための疎水性パッチは，H+やCa2+の結合に依存して形成されることが明らかとなり，陽イオン依存的な構造変換の機構を解明した．
＜YidC＞我々はさらに，低分子だけでなく蛋白質の膜輸送を行う輸送体の構造機能研究を発展させてきた．その最後の役者として，膜タンパク質を膜に組み込む膜タンパク質YidCの結晶構造を2.4Å分解能で決定した（Nature, 2014）．その結果、脂質内部に開いた親水性の凹みが存在し、その中のアルギニン残基が基質膜蛋白質の細胞外ループ上の負電荷を脂質中で強く引きつける結果、膜組み込みが惹起されるモデルを提唱することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
MgtEは，細胞外から細胞内へのMg2+の取り込みを担う新規のMg2+チャネルであり，原核生物から真核細胞まで保存されている．ヒトではそのホモログSLC41A1, A2, A3が腎細胞などの細胞膜上に存在し，細胞内マグネシウム濃度の調節を行っている．我々は，MgtEのMg2+存在下における立体構造をX線結晶構造解析により2.9Å分解能で決定した（Nature, 2007）．溶液中にMg2+が多量に存在するときには，MgtEのイオン透過孔は細胞質ドメインによってふさがれている．しかし，Mg2+欠乏条件下では細胞質ドメインが開く大きな構造変化を起こし，イオン透過孔が開くことが推測された（Nature, 2007）．さらに計算機シミュレーション（Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2008）と電気生理学的解析を行うことで，MgtE細胞質ドメインは「Mg2+センサー」として働き，生体内のマグネシウムの濃度を感知することで，Mg2+が過剰な時にはMg2+取り込みを抑制し，欠乏している場合にはMg2+取り込みを促進させるという，Mg2+バランス維持に働くことを明らかにした（EMBO J., 2009）．さらに最近，MgtEをLCP法を用いて結晶化することで，分解能を2.3Åに向上し，MgtEが，R. MacKinnon（2003年にノーベル化学賞受賞）が明らかにしたカリウムチャネルのイオン選択性フィルターとは異なり，陽イオンの脱水和を伴わず完全水和状態を認識して輸送を行う，世界的にも初の陽イオン認識メカニズムを明らかにした（Nat. Commun., 2014）．さらにMgtEが，細胞外領域に遷移金属結合部位を2つ持ち,アロステリックに遷移金属の流入を制御する機構を解明した（Nat. Commun., 2014）．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで多くの輸送体の構造機能解析を行なうことで，普遍的な輸送機構，基質認識機構，輸送制御機構が見えて来た．今後は，チャネルやトランスポーターの輸送過程における複数状態の結晶構造を決定し、MDシミュレーションで動的なメカニズムを推測し、変異体の機能解析を行なって仮説を実証して行くことによって、膜輸送体の分子機構を原子分解能で解明して行く。これらのメカニズムをより普遍的な原理に昇華するために，より多くの新規チャネル，トランスポーターの構造機能解析を推進するとともに，より高次の細胞機能に働く膜蛋白質にも注目して研究を進める．
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[Journal Article] Structural basis for Sec-independent membrane protein insertion by YidC2014
Author(s)
K. Kumazaki, S. Chiba, M. Takemoto, A. Furukawa, K. Nishiyama, Y. Sugano, T. Mori, N. Dohmae, K. Hirata, Y. Nakada-Nakura, A. D. Maturana, Y. Tanaka, H. Mori, Y. Sugita, F. Arisaka, K. Ito, R. Ishitani, T. Tsukazaki and O. Nureki
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Journal Title
Nature
Volume: 509
Pages: 516-520
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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