チャネル蛋白質の構造変化に連携した自己組織化動態：チャネル新規機能発現機構の解明

• Project Area: Dynamical ordering of biomolecular systems for creation of integrated functions
• Project/Area Number: 26102516
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 老木 成稔 福井大学, 医学部, 教授 (10185176)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2015: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2014: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: イオンチャネル / 膜蛋白質 / 離合集散 / 原子間力顕微鏡 / 単一分子測定 / 生体膜 / チャネル / トランスポータ / 能動輸送

Outline of Annual Research Achievements

膜蛋白質は膜平面上で制限された拡散運動を行い、同種蛋白質間で集合・離散を行うものがある。しかし膜蛋白質の中でもイオンチャネルは、細胞膜上でごく少数のチャネルで細胞機能を担うものもあり、自己組織化によってチャネル機能の発現にどのような関連があるのか十分に検討されてこなかった。
私達は原子間力顕微鏡(AFM)によってチャネル蛋白質の新しい動的秩序構造を発見した。チャネルはゲート開閉構造変化に連動して膜状で可逆的な自己組織化を行うのである。一方、チャネルと膜脂質の相互作用がチャネル蛋白質の新しい構造モチーフ(センサーへリックス)を介して行われており、しかもセンサーへリックスがゲート構造変化を制御することも発見した。この2つの発見から導かれることは、チャネル機能発現においてチャネル蛋白質の構造変化が膜脂質との相互作用を変化させ、チャネルの膜内での孤立状態と自己組織化状態の遷移を引き起こしている、というシナリオである。
生体膜と異なり、脂質２重膜に精製したチャネルを再構成するにはチャネルの向きを揃えることが不可欠であるが、これまでに方法が確立していなかった。この方法の確立のために多くの実験を行った。またチャネル集合離散状態によってチャネル機能の差を捉えるためには原子間力顕微鏡で捉えられる事象でなければならず、様々な方法を試みてきた。その中で隣り合うチャネル機能に差があるという結果を得つつある。
チャネルが膜とどう相互作用するかという点を明らかにする上で膜リン脂質の組成はきわめて重要である。私達は様々なリン脂質を使ってリポソームを形成し、膜上での集合離散状態を蛍光色素で測定した。その結果、リン脂質の組成だけではなく、膜の相分離・厚さなど膜の物理的特性によって集合離散状態が大きく変化することを明らかにした。
これらの実験と並行して、複数の共同研究を開始し、新しい結果を得た。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Rectified Proton Grotthuss Conduction Across a Long Water-Wire in the Test Nanotube of the Polytheonamide B Channel. (2016)
  • Author(s): Matsuki, Y., Iwamoto, M. Mita, K., Shigemi, K., Matsunaga, S., and Oiki
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 138 Issue: 12 Pages: 4168-4177
  • DOI: 10.1021/jacs.5b13377
  • NAID: 120006226473
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] pH-dependent promotion of phospholipid flip-flop by the KcsA potassium channel (2015)
  • Author(s): H. Nakao, K. Ikeda, M. Iwamoto, H. Shimizu, S. Oiki, Y. Ishihama, M. Nakano
  • Journal Title: Biochim. Biophys. Acta-Biomembr. Volume: 1848 Issue: 1 Pages: 145-150
  • DOI: 10.1016/j.bbamem.2014.10.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Contact bubble bilayers with flush drainage (2015)
  • Author(s): Iwamoto M., Oiki S.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Issue: 1 Pages: 9110-9110
  • DOI: 10.1038/srep09110
  • NAID: 120005572953
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Specific interactions between alkali metal cations and the KcsA channel studied using ATR-FTIR spectroscopy (2015)
  • Author(s): Y. Furutani, H. Shimizu, Y. Asai, S. Oiki, H. Kndori
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 12 Issue: 0 Pages: 37-45
  • DOI: 10.2142/biophysico.12.0_37
  • NAID: 130005098800
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mechanism for attenuated outward conductance induced by mutations in the cytoplasmic pore of Kir2.1 channels. (2015)
  • Author(s): Chang, H.-K., Iwamoto, M., Oiki, S. and Shieh, R.-C.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 5 Issue: 1 Pages: 18404-18404
  • DOI: 10.1038/srep18404
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Channel Function Reconstitution and Re-animation: A Single-channel Strategy in the Post-crystal Age. (2015)
  • Author(s): Oiki, S.
  • Journal Title: J. Physiol. Volume: 593 Issue: 12 Pages: 2553-2573
  • DOI: 10.1113/jp270025
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Surface-enhanced IR absorption spectroscopy of the KcsA potassium channel upon application of an (2015)
  • Author(s): A. Yamakata, H. Shimizu, S. Oiki
  • Journal Title: Phys Chem Chem Phys. Volume: 17 Issue: 33 Pages: 21104-21111
  • DOI: 10.1039/c5cp02681d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure and Dynamics of Membrane-embedded KcsA Potassium Channel Revealed by Atomic Force Microscopy (2015)
  • Author(s): 角野歩、山本大輔、炭竃享司、岩本真幸、出羽毅久、老木成稔
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 55 Issue: 1 Pages: 005-010
  • DOI: 10.2142/biophys.55.005
  • NAID: 130004794734
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Distinct Configurations of Cations and Water in the Selective Filter of the KcsA Potasium Channel Probed by the 3D-RISM Theory (2014)
  • Author(s): Saree Phongphanphanee, Norio Yoshida, Shigetoshi Oiki, and Fumio Hirata
  • Journal Title: J．Mol. Liq. Volume: 167 Pages: 578-584
  • DOI: 10.1016/j.molliq.2014.03.050
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gating-associated clustering-dispersion dynamics of the KcsA potassium channel in a lipid membrane (2014)
  • Author(s): A. Sumino, D. Yamamoto, M. Iwamoto, T. Dewa, S. Oiki
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 5 Issue: 3 Pages: 578-584
  • DOI: 10.1021/jz402491t
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Paradoxical one-ion pore behavior of the long β-helical peptide of marine cytotoxic polytheonamide B (2014)
  • Author(s): M. Iwamoto, S. Matsunaga, S. Oiki
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 4 Issue: 1 Pages: 3636-3636
  • DOI: 10.1038/srep03636
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] イオンチャネルのプロトン透過：細胞毒ナノチューブ Polytheonamide Bの整流性プロトン透過機構 (2015)
  • Author(s): 老木成稔
  • Organizer: 分子研研究会「膜タンパク質内部のプロトン透過を考える」
  • Place of Presentation: 岡崎コンファレンスセンター(愛知)
  • Year and Date: 2015-04-20 – 2015-04-21
  • Invited
• [Presentation] Channel Function Reconstitution and Reanimation (2014)
  • Author(s): Oiki, S.
  • Organizer: The 45th NIPS International symposium, Co-sponsored by “The Journal of Physiology”
  • Place of Presentation: 岡崎コンファレンスセンター(愛知)
  • Year and Date: 2014-11-26 – 2014-11-28
  • Invited
• [Presentation] チャネル膜蛋白質KcsAの一分子構造-機能ダイナミクスと膜 (2014)
  • Author(s): 老木成稔
  • Organizer: 膜学会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京)
  • Year and Date: 2014-05-13 – 2014-05-14
• [Presentation] Spatio-Temporal Interplay of the Single KcsA Potassium Channel in the Membrane (2014)
  • Author(s): Oiki, S.
  • Organizer: OIST International Workshop:
  • Place of Presentation: 沖縄科学技術大学院大学(沖縄)
  • Year and Date: 2014-04-21 – 2014-04-25
  • Invited
• [Book] １分子ナノバイオ計測〜分子から生命システムを探る革新的技術 (2014)
  • Author(s): 老木成稔
  • Total Pages: 222
  • Publisher: 化学同人
• [Remarks] 分子生理学（生理学１）研究室
  • URL: http://seiri1.med.lab.u-fukui.ac.jp/
• [Remarks] 科研費ＮＥＷＳ「イオンチャネルの動的構造と 分子機構解明のための1分子研究」
  • URL: http://www.jsps.go.jp/j-grantsinaid/22_letter/data/news_2013_vol2/p17.pdf