Development of membrane-protein handling and measurement techniques for elucidation of supramolecular mechanisms of inner ear amplification

• Project/Area Number: 17H04739
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: Kanazawa University (2019-2020); Kagoshima University (2017-2018)
• Principal Investigator: Murakoshi Michio 金沢大学, 理工研究域フロンティア工学系, 准教授 (70570901)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2018: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2017: ¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000)
• Keywords: 聴覚 / 内耳増幅 / 感覚細胞 / タンパク質モーター / 分子メカニズム / プレスチン / 外有毛細胞 / 内耳 / 原子間力顕微鏡 / バイオメカニクス / 生体分子 / 分子モーター / 細胞・組織 / 操作プローブ顕微鏡 / 走査プローブ顕微鏡

Outline of Final Research Achievements

In the present study, we focused on the motor protein “prestin” expressed in the sensory cells in the inner ear. A method to handle its structure and function and a measurement technique to detect them were investigated to elucidate the mechanisms of sound perception and to develop new biodevices. Mammalian cell lines which stably express prestin with a marker peptide tag were constructed and a prestin molecule was pulled out from the plasma membrane of these cells. The force-extension curves obtained demonstrated the membrane structure of prestin.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

プレスチンは，2000年にその遺伝子が同定されて以来，その構造と機能について研究されてきたが，未だ解明されておらず，そのため我々の音受容メカニズムは解明されていない．従来の手法では多量のタンパク質溶液や結晶化等が必要であったため，プレスチンには適さなかった．本研究で新たに提案した手法により，比較的少量かつ結晶化なしに膜内構造を分析できることが示唆された．またこれにより得られた結果は音受容メカニズムの全容解明に貢献するとともに，遺伝性難聴や老人性難聴のメカニズム解明とその治療法開発に貢献できると期待される．

Research Products

• [Journal Article] Predictive Accuracy of Sweep Frequency Impedance Technology in Identifying Conductive Conditions in Newborns (2018)
  • Author(s): Aithal V, Kei J, Driscoll C, Murakoshi M, Wada H
  • Journal Title: Journal of the American Academy of Audiology Volume: 29 Issue: 2 Pages: 106-117
  • DOI: 10.3766/jaaa.16077
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sweep frequency impedance measures in young infants: developmental characteristics from birth to 6 months (2017)
  • Author(s): Venkatesh Aithal, Joseph Kei, Carlie Driscoll, Michio Murakoshi and Hiroshi Wada
  • Journal Title: International Journal of Audiology Volume: 56 Issue: 3 Pages: 154-163
  • DOI: 10.1080/14992027.2016.1244867
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analysis by finite element method of dynamic characteristics of the external ear canal in neonates (2017)
  • Author(s): Michio MURAKOSHI, Shohei TAKEDA and Hiroshi WADA
  • Journal Title: Journal of Biomechanical Science and Engineering Volume: 12 Issue: 2 Pages: 16-00596-16-00596
  • DOI: 10.1299/jbse.16-00596
  • NAID: 130005695185
  • ISSN: 1880-9863
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analysis by sweep frequency impedance (SFI) meter of 226-Hz and 1,000-Hz tympanometries in neonates (2017)
  • Author(s): Michio Murakoshi, Kyosuke Sano, Nattikan Kanka, Naoto Yoshida, Shinji Hamanishi, Hiromichi Kiyokawa, Risako Kakuta, Sreedevi Aithale, Venkatesh Aithale, Joseph Kei, Carlie Driscoll, Andrew Swanston, Sachiko Matsutani, Toshimitsu Kobayashi and Hiroshi Wada
  • Journal Title: Procedia IUTAM Volume: 24 Pages: 5-14
  • DOI: 10.1016/j.piutam.2017.08.038
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 聴覚のメカニクスに学ぶ －内耳組織から膜タンパク質まで－（Learn from the mechanics of hearing -From the inner ear tissue to the membrane protein-） (2017)
  • Author(s): 村越道生
  • Journal Title: 応用物理学会有機分子・バイオエレクトロニクス分科会研究会会誌 Volume: 28 Pages: 4-8
• [Journal Article] 三列に並ぶ外有毛細胞の役割とその分子構造（The role of the outer hair cells stacked in three rows and its molecular structure） (2017)
  • Author(s): 村越道生
  • Journal Title: 日本音響学会誌 Volume: 73 Pages: 662-669
• [Presentation] Development of recombinant inner-ear motor protein prestin equipped with affinity tag (2019)
  • Author(s): Murakoshi M, Wada H
  • Organizer: The 2019 Summer Biomechanics, Bioengineering and Biotransport Conference (SB3C 2019), June 25-28, 2019, Seven Springs, Pennsylvania, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of rotation of the stereociliary bundles of outer hair cells on the cochlear amplification (2019)
  • Author(s): Murakoshi M, Wada H
  • Organizer: The 43rd Annual MidWinter Meeting of the Association for Research in Otolaryngology, January 25-29, 2020, San Jose, California, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Membrane topology of inner ear motor protein prestin (2019)
  • Author(s): Murakoshi M
  • Organizer: The 3rd Thailand-Japan Research Exchange Joint Symposium, August 21, 2019, KMUTT Knowledge Exchange for Innovation Center (KX), Bangkok, Thailand
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 外有毛細胞の聴毛回転が蝸牛増幅に及ぼす影響の数値解析（Numerical analysis of the effect of rotation of the outer hair cell stereocilia on the cochlear amplification） (2019)
  • Author(s): 村越道生，和田仁
  • Organizer: 第29回日本耳科学会総会・学術講演会，O50-3，山形，2019年10月10-12日
• [Presentation] 内耳感覚細胞の奇形が蝸牛増幅に及ぼす影響（Effects of abnormality of the inner-ear sensory cells on the cochlear amplification） (2019)
  • Author(s): 村越道生，和田仁
  • Organizer: 日本機械学会第32回バイオエンジニアリング講演会，2A22，金沢，2019年12月20-21日
• [Presentation] Characteristics of the external- and middle-ear dynamics in neonates (2018)
  • Author(s): Murakoshi M, Aithal V, Hamanishi S, Kei J, Wada H
  • Organizer: The 8th International Symposium on Middle-Ear Mechanics in Research and Otology (MEMRO2018), July 5-9, 2018, Shanghai, China
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of chronological age on neonatal tympanogram with 226-Hz probe tone (2018)
  • Author(s): Kanka N, Murakoshi M, Hamanishi S, Wada H
  • Organizer: The 8th International Symposium on Middle-Ear Mechanics in Research and Otology (MEMRO2018), July 5-9, 2018, Shanghai, China
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 新生児のための聴覚スクリーニング装置の開発（Development of a hearing screening system for newborns） (2018)
  • Author(s): 村越道生，濱西伸治，和田仁
  • Organizer: 第57回日本生体医工学会大会，札幌，2018年6月19-21日
• [Presentation] サリチル酸誘導体によるペンドリン変異体の正常膜輸送回復（Restoration of proper delivery to the cell membrane for pendrin mutants by salicylate derivatives） (2018)
  • Author(s): 村越道生，和田仁
  • Organizer: 第28回日本耳科学会総会・学術講演会，大阪，2018年10月3-6日
• [Presentation] Cochlear amplifierの温故知新（Cochlear amplifier: past, present and future） (2018)
  • Author(s): 村越道生
  • Organizer: 第66回聴覚生理研究会，日本聴覚医学会，2018年10月18日，神戸
  • Invited
• [Presentation] 生後数日から半年までの新生児の外耳及び中耳の動特性解析（Analysis of the dynamic behavior of the external and middle ears in neonates from a few days to 6 months） (2018)
  • Author(s): 村越道生，和田仁
  • Organizer: 第63回日本聴覚医学会総会・学術講演会，神戸，2018年10月17-19日
• [Presentation] Que sera, sera (Whatever will be, will be) (2018)
  • Author(s): 村越道生
  • Organizer: 第1回出藍会総会, 若手・学生による座談会，日本機械学会第29回バイオフロンティア講演会，2018年10月24-25日，千葉
  • Invited
• [Presentation] 外有毛細胞の機能損失が蝸牛内コルチ器の動的挙動に及ぼす影響の数値解析（Numerical analysis of effects of outer hair cell dysfunction on the dynamic behavior of the organ of Corti in the cochlea） (2018)
  • Author(s): 本田書大，村越道生，松﨑健一郎
  • Organizer: 日本機械学会第29回バイオフロンティア講演会，千葉，2018年10月24-25日
• [Presentation] 感音難聴を引き起こすペンドリン変異体のラサロシナトウムによる局在回復（Restoration of localization of pendrin mutants causing sensorineural hearing loss by lasalocid sodium） (2018)
  • Author(s): 吉田博樹，村越道生，松﨑健一郎
  • Organizer: 日本機械学会第29回バイオフロンティア講演会，千葉，2018年10月24-25日
• [Presentation] 内耳陰イオン輸送タンパク質ペンドリンの遺伝子変異による局在異常の回復手法開発（Development of a method for recovering the localization anormaly caused by genetic mutation of an anion exchange protein pendrin in the inner ear） (2018)
  • Author(s): 村越道生，和田仁
  • Organizer: 日本機械学会第31回バイオエンジニアリング講演会，郡山，2018年12月14-15日
• [Presentation] Aviタグ標識したタンパク質モータープレスチンの機能解析（Functional analysis of the motor protein prestin labeled with AviTag） (2018)
  • Author(s): 白井秀和，村越道生，和田仁
  • Organizer: 日本機械学会第31回バイオエンジニアリング講演会，郡山，2018年12月14-15日
• [Presentation] 外有毛細胞の機能損失がコルチ器の動的挙動に及ぼす影響の解析（Analysis of the effects of the functional loss of outer hair cells on the dynamic behavior of the organ of Corti） (2018)
  • Author(s): 本田書大，村越道生，和田仁
  • Organizer: 日本機械学会第31回バイオエンジニアリング講演会，郡山，2018年12月14-15日
• [Presentation] 新生児聴覚スクリーニング(NHS)用広域周波数インピーダンスメーターの開発（Development of a wideband frequency impedance meter for neonatal hearing screening (NHS)） (2018)
  • Author(s): 山田健吾，村越道生，和田仁
  • Organizer: 日本機械学会第31回バイオエンジニアリング講演会，郡山，2018年12月14-15日
• [Presentation] Hisタグ標識プレスチンの安定発現株の構築とその評価（Construction and evaluation of cell lines stably expressing the His-tagged prestin） (2018)
  • Author(s): 吉田博樹，村越道生，和田仁
  • Organizer: 日本機械学会第31回バイオエンジニアリング講演会，郡山，2018年12月14-15日
• [Presentation] 有限要素モデルによる中耳・内耳病変診断装置用プローブの検討 (2018)
  • Author(s): 濱西伸治，村越道生，和田仁
  • Organizer: 日本機械学会第31回バイオエンジニアリング講演会，郡山，2018年12月14-15日
• [Presentation] Difference in the dynamic behavior of the hearing apparatus between neonates and adults: the effects on tympanometry (2017)
  • Author(s): Murakoshi M, Hamanishi S, Wada H
  • Organizer: The XXVI Congress of the International Society of Biomechanics (ISB2017) incorporating the 9th Asian-Pacific Conference on Biomechanics (AP Biomech 2017), July 23-27, 2017, Brisbane, Australia
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamic characteristics of neonatal ear up to 6 kHz using a finite element modeling approach (2017)
  • Author(s): Hamanishi S, Murakoshi M, Wada H
  • Organizer: The XXVI Congress of the International Society of Biomechanics (ISB2017) incorporating the 9th Asian-Pacific Conference on Biomechanics (AP Biomech 2017), July 23-27, 2017, Brisbane, Australia
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Decipherment of the membrane structure of the inner ear motor protein prestin by force spectroscopy (2017)
  • Author(s): Murakoshi M, Wada H
  • Organizer: The 5th Switzerland-Japan Workshop on Biomechanics (SJB2017), September 14-17, 2017, Zermatt, Switzerland
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Dynamic characteristic changing of the external ear canal wall with an increase in neonatal chronological age (2017)
  • Author(s): Nattikan K, Murakoshi M, Hamanishi S, Wada H
  • Organizer: The 5th Switzerland-Japan Workshop on Biomechanics (SJB2017), September 14-17, 2017, Zermatt, Switzerland
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 聴覚の工学的考察とその応用（Engineering consideration of hearing and its application） (2017)
  • Author(s): 村越道生
  • Organizer: 一般社団法人近畿化学協会エレクトロニクス部門平成28年度第3回研究会「広がりを見せる多様なナノサイズ材料とその応用最前線」，大阪，2017年1月16日
  • Invited
• [Presentation] CHO細胞を用いたHisタグ標識プレスチン発現システムの構築（Construction of an expression system of the His-tagged prestin using Chinese hamster ovary cells） (2017)
  • Author(s): 勝田廉弥，村越道生，松崎健一郎，和田仁
  • Organizer: 日本機械学会第29回バイオエンジニアリング講演会，名古屋，2017年1月19-20日
• [Presentation] 外傷刺激による内耳外有毛細胞傷害が引き起こすコルチ器の動的挙動解析（Numerical analysis of the changes in the dynamic behavior of the organ of Corti caused by the cochlear outer hair cell injury due to traumatic stimuli） (2017)
  • Author(s): 並河伶弥，松崎健一郎，村越道生
  • Organizer: 日本機械学会九州学生会第48回卒業研究発表講演会，那覇，2017年3月3日
• [Presentation] 聴覚のメカニクスに学ぶ －内耳組織から膜タンパク質まで－ (2017)
  • Author(s): 村越道生
  • Organizer: 応用物理学会有機分子・バイオエレクトロニクス分科会研究会「有機分子・バイオエレクトロニクスの最新動向と応用展開」，2017年6月6日，北九州
  • Invited
• [Presentation] 内耳タンパク質モータープレスチンを安定発現する哺乳動物細胞株の構築（Construction of a mammalian cell line stably expressing the inner-ear motor protein prestin） (2017)
  • Author(s): 村越道生，和田仁
  • Organizer: 第62回日本聴覚医学会総会・学術講演会，福岡，2017年10月18-20日
• [Presentation] Avi タグ標識プレスチン発現 CHO 細胞の構築とフローサイトメトリーによる高発現株の選択（Establishment of CHO cells expressing Avi-tagged prestin and selection of high expressing lines by flow cytometry） (2017)
  • Author(s): 松野光太郎，松崎健一郎，村越道生
  • Organizer: 日本機械学会第28回バイオフロンティア講演会，徳島，2017年10月27-29日
• [Presentation] サリチル酸誘導体による感音難聴を引き起こすペンド変異の局在回復（Restoration of localization pendrin mutants causing sensorineural hearing loss by salicylate derivatives） (2017)
  • Author(s): 茶縁泰樹，松崎健一郎，村越道生
  • Organizer: 日本機械学会第28回バイオフロンティア講演会，徳島，2017年10月27-29日
• [Presentation] 聴覚のメカニズムとその計測・制御（Hearing mechanism and its measurement and control） (2017)
  • Author(s): 村越道生
  • Organizer: SICE九州フォーラム2017，鹿児島，2017年11月24日
  • Invited
• [Presentation] アフィニティタグ標識された遺伝子組換え内耳モータータンパク質のCHO発現システムの構築（Development of CHO expression systems of recombinant inner-ear motor proteins having different affinity tags） (2017)
  • Author(s): 村越道生，和田仁
  • Organizer: 日本機械学会第30回バイオエンジニアリング講演会，京都，2017年12月14-15日
• [Presentation] 出後から６か月までの新生児外耳道壁の動的特性変化（Changes of dynamic characteristics in the neonatal external ear canal wall from birth to 6 months） (2017)
  • Author(s): カンカー・ナッティカーン，村越道生，濱西伸治，和田仁
  • Organizer: 日本機械学会第30回バイオエンジニアリング講演会，京都，2017年12月14-15日
• [Book] Molecular technology for membrane functionalization (2018)
  • Author(s): Murakoshi M and Muraoka T
  • Total Pages: 400
  • Publisher: Wiley
  • ISBN: 9783527802753
• [Remarks] 金沢大学理工研究域フロンティア工学系生体機械工学研究室
  • URL: https://biomech.w3.kanazawa-u.ac.jp/
• [Remarks] 金沢大学理工研究域フロンティア工学系生体機械工学研究室
  • URL: http://www.me.se.kanazawa-u.ac.jp/biomech/
• [Remarks] 鹿児島大学工学部機械工学科村越研究室
  • URL: http://www.mech.kagoshima-u.ac.jp/~michio/index.html
• [Remarks] 鹿児島大学工学部機械工学科
  • URL: http://www.mech.kagoshima-u.ac.jp/
• [Remarks] 鹿児島大学研究者総覧
  • URL: http://ris.kuas.kagoshima-u.ac.jp/html/100005674_ja.html