生体金属イオンの輸送システムで機能する膜タンパク質の構造解析

• 研究課題/領域番号: 18H02396
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43020:構造生物化学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 杉本 宏 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 専任研究員 (90344043)
• 研究分担者: 澤井 仁美 兵庫県立大学, 生命理学研究科, 助教 (50584851)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2020年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2019年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2018年度: 8,450千円 (直接経費: 6,500千円、間接経費: 1,950千円)
• キーワード: ヘムタンパク質 / 電子伝達 / X線結晶構造解析 / ビタミンC / ヘム / X線

研究成果の概要

人の生体維持に必須の微量元素である鉄を小腸の腸管上皮細胞で取り込む際には、膜内在型の還元酵素であるDcytbが重要な役割を担っている。しかし、これまでの研究では鉄イオンの配位子さえ明らかになっていなかった。本課題ではDcytbのX線結晶構造解析と分光法・生化学的な機能解析により、鉄還元のための電子の移動や鉄イオンの結合に関する構造的基盤を明らかにした。また、ヘムの輸送タンパク質に関連した解析では、古くなった赤血球からのヘム鉄の再利用に関して新たな現象を発見した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

鉄をはじめとする生体内の金属元素の多くはさまざまな生体内でのプロセスに必須であるが、過剰に体内に存在すると細胞にとって有毒となるため、体内の濃度は綿密に調整されている。本課題が実施したDcytbの解析では、ビタミンCによって小腸での鉄分の吸収が促進される仕組みを立体構造の見地から明らかにした。鉄の輸送と代謝のメカニズムは様々な疾病や病原菌の感染にも関与していることから注目されており、鉄過剰症や貧血といった制御のバランスが崩れて引き起こされる疾病の発症のメカニズムの理解や治療法の開発などへ発展すると期待される。

研究成果

• [国際共同研究] University of British Columbia(カナダ)
• [国際共同研究] University of Maryland(米国)
• [国際共同研究] University of Maryland(米国)
• [国際共同研究] University of British Columbia(カナダ)
• [雑誌論文] Hemozoin produced by mammals confers heme tolerance (2019)
  • 著者名/発表者名: Pek, R. H., Yuan, X., Rietzschel, N., Zhang, J., Jackson, L., Nishibori, E., Ribeiro, A., Simmons, W., Jagadeesh, J., Sugimoto, H., Alam, M. Z., Garrett, L., Haldar, M., Ralle, M., Phillips, J. D., Bodine, D. M., Hamza, I.
  • 雑誌名: eLIFE 巻: 8
  • DOI: 10.7554/elife.49503
  • NAID: 120007127793
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Chemomechanical Coupling in the Transport Cycle of a Type II ABC Transporter (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Tamura, H. Sugimoto, Y. Shiro, Y. Sugita
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 123 号: 34 ページ: 7270-7281
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b04356
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural basis for promotion of duodenal iron absorption by enteric ferric reductase with ascorbate. (2018)
  • 著者名/発表者名: Ganasen M, Togashi H, Takeda H, Asakura H, Tosha T, Yamashita K, Hirata K, Nariai Y, Urano T, Yuan X, Hamza I, Mauk AG, Shiro Y, Sugimoto H, Sawai H.
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 1 号: 1 ページ: 120-120
  • DOI: 10.1038/s42003-018-0121-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] ヒトにおける鉄イオンの吸収に関わる膜タンパク質の構造機能相関と腸管細胞モデルでの機能評価系を用いた鉄イオン吸収を向上させる新たな化合物スクリーニング (2021)
  • 著者名/発表者名: 澤井 仁美
  • 学会等名: 日本薬学会第141年会 環境・衛生部会若手研究者シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 病原菌のヘム獲得のメカニズム (2020)
  • 著者名/発表者名: 杉本 宏
  • 学会等名: 第１５回トランスポーター研究会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Reconstitution of full-complex of bacterial heme transporter into the platforms suitable for structural analysis (2020)
  • 著者名/発表者名: Ayaho Abe, Hideki Shigematsu, Masaki Yamamoto, Yoshistugu Shiro, Hiroshi Sugimoto
  • 学会等名: 日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] Structural basis of iron reduction by human duodenal cytochrome b (Dcytb) involved in intestinal iron absorption (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Sugimoto, Menega Ganasen, Hiromi Togashi, Hanae Takeda, Yoshitsugu Shiro, A Grant Mauk, Hitomi Sawai
  • 学会等名: 19th International Conference on Biological Inorganic Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Structural basis of ascorbate-dependent iron reduction by human Dcytb involved in intestinal iron absorption (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Sugimoto, Menega Ganasen, Hiromi Togashi, Hanae Takeda, Yoshitsugu Shiro, A Grant Mauk, Hitomi Sawai
  • 学会等名: 32nd European Crystallographic Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] ヒト小腸の細胞膜でDcytbが鉄分吸収を促進するメカニズム (2018)
  • 著者名/発表者名: Menega Ganasen、冨樫ひろ美、山下恵太郎、平田邦生、Grant A. Mauk、城 宜嗣、澤井仁美、杉本 宏
  • 学会等名: 平成30年度結晶学会年会
• [学会発表] ヒトの鉄イオン吸収に関わる膜タンパク質の立体構造に基づく生きた細胞での機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Ganasen, 藤代瞳、X. Yuan, I. Hamza, 姫野誠一郎、A. G. Mauk, 杉本宏、城宜嗣、澤井仁美
  • 学会等名: メタルバイオサイエンス研究会2018
• [学会発表] ヒトの鉄イオン吸収に関わる膜タンパク質の立体構造を基盤とした機能と構造の相互解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 澤井仁美
  • 学会等名: 第42回日本鉄バイオサイエンス学会学術集会
• [学会発表] Structural Basis for Promotion of Human Iron Absorption by Duodenal Ferric Reductase with Ascorbate and Some Dietary Metal-chelators (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Sawai
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Asia Meeting: Iron, Reactive Oxygen Species & Ferroptosis in Life, Death & Disease
  • 国際学会
• [学会発表] Structural Basis for Enhancement of Human Iron Uptake by Duodenal Ferric Reductase with Ascorbate (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Sawai
  • 学会等名: 9th Asian Biological Inorganic Chemistry (AsBIC-9)
  • 国際学会
• [学会発表] Structural Insight into the Dietary Non-heme Iron Absorption in Human Duodenum (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Ganasen, H. Asakura, T. Tosha, X. Yuan, I. Hamza, A. G. Mauk, Y. Shiro, H. Sugimoto and H. Sawai
  • 学会等名: 第18回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] Structure-guided Functional Analysis of Human Ferric Reductase Using Living Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Menega Ganasen, Hitomi Fujishiro, Xiaojing Yuan, Iqbal Hamza, A. Grant Mauk, Seiichiro Himeno, Hiroshi Sugimoto, Yoshitsugu Shiro, Hitomi Sawai
  • 学会等名: Gordon Research Conference: 2018 Chemistry and Biology of Tetrapyrroles
  • 国際学会
• [学会発表] Understanding the Mechanism of Dietary Iron Absorption at the Atomic level (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Ganasen, H. Asakura, T. Tosha, T. Urano, X. Yuan, I. Hamza, A. G. Mauk, Y. Shiro, H. Sugimoto, H. Sawai
  • 学会等名: 第91回日本生化学会年会
• [学会発表] 小腸上皮細胞膜で機能する鉄還元酵素Dcytbの結晶構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 杉本宏, Menega Ganasen 冨樫ひろ美，武田英恵, 朝倉帆南, 山下恵太郎，平田邦生， A. Grant Mauk，城宜嗣，澤井仁美
  • 学会等名: 平成30年度 内外環境応答・代謝酵素研究会
• [学会発表] Structural basis of ascorbate-dependent iron reduction by human duodenal cytochrome b (Dcytb) involved in intestinal iron absorption (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Sugimoto, M. Ganesen, H. Togashi, H. Takeda, H. Asakura, T. Tosha, K. Yamashita, K. Hirata, X. Yuan, I. Hamza, A. G. Mauk, Y. Shiro, H. Sawai
  • 学会等名: Asian Crystallographic Association Conference (AsCA 2018)
  • 国際学会
• [備考] 貧血予防に新たな指針～ビタミンCが鉄分の吸収を促進するメカニズムを原子レベルで解明～
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2018/20180820_1/
• [備考] 貧血予防に新たな指針 ～ ビタミンＣが鉄分の吸収を促進するメカニズムを原子レベルで解明 ～
  • URL: http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2018/180820/