機械刺激感受性チャネルTMCタンパク質の構造機能解析

• 研究課題/領域番号: 20K15754
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分43040:生物物理学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 草木迫 司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (80815316)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: チャネル / 膜タンパク質 / クライオ電子顕微鏡 / 単粒子解析

研究開始時の研究の概要

音すなわち空気の振動によって機械刺激を受けた有毛細胞では，膜タンパク質を含むMechanotransduction (MET) channel複合体が，機械刺激を電気的シグナルへと情報を変換することで，有毛細胞から聴神経へシグナルが伝達すると考えられている。MET channel複合体のチャネル透過経路を形成するサブユニットの最有力候補がTMC1及びTMC2である。本研究では，クライオ電子顕微鏡単粒子解析によりTMC1またはTMC2の立体構造を決定し，構造情報に基づいた電気生理学解析をおこなうことで，TMC1/TMC2のイオン透過機構・機械刺激感受性チャネル開閉機構の解明を目指す。

研究成果の概要

TMCタンパク質は機械刺激感受性チャネルであり、複数の補助サブユニットと相互作用して有毛細胞のMETチャネル複合体を構成する。本研究では、クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子解析により、TMCタンパク質のイオン透過機構・機械刺激によるチャネル開閉機構の解明を目指した。当初の計画から発展させて、METチャネル複合体の構成因子であるCIBタンパク質とTMCタンパク質の機能的複合体の構造解析を推進し、TMC-CIB複合体の調製に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

TMCタンパク質を含む複合体解析の基盤が整ったことで、イオン透過機構のみならず、補助サブユニットによるMETチャネル複合体の活性調節機構の理解にも繋がる点で学術的意義がある。今後、補助サブユニットも含めたMETチャネル複合体の構造機能研究へと展開していく。また、METチャネル複合体は聴覚に関わることから、本研究の成果と今後の展開は難聴の病態理解を深め、構造情報に基づいた薬剤開発の可能性を提供すると期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Cryo-EM structures of thermostabilized prestin provide mechanistic insights underlying outer hair cell electromotility (2022)
  • 著者名/発表者名: Futamata Haon、Fukuda Masahiro、Umeda Rie、Yamashita Keitaro、Tomita Atsuhiro、Takahashi Satoe、Shikakura Takafumi、Hayashi Shigehiko、Kusakizako Tsukasa、Nishizawa Tomohiro、Homma Kazuaki、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 6208-6208
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34017-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structure and engineering of the minimal type VI CRISPR-Cas13bt3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa Ryoya、Kannan Soumya、Altae-Tran Han、Takeda Satoru N.、Tomita Atsuhiro、Hirano Hisato、Kusakizako Tsukasa、Nishizawa Tomohiro、Yamashita Keitaro、Zhang Feng、Nishimasu Hiroshi、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Molecular Cell 巻: 82 号: 17 ページ: 3178-3192
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2022.08.001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural insights into inhibitory mechanism of human excitatory amino acid transporter EAAT2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kato Takafumi、Kusakizako Tsukasa、Jin Chunhuan、Zhou Xinyu、Ohgaki Ryuichi、Quan LiLi、Xu Minhui、Okuda Suguru、Kobayashi Kan、Yamashita Keitaro、Nishizawa Tomohiro、Kanai Yoshikatsu、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 4714-4714
  • DOI: 10.1038/s41467-022-32442-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Endogenous ligand recognition and structural transition of a human PTH receptor (2022)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Kazuhiro、Kawakami Kouki、Kusakizako Tsukasa、Miyauchi Hirotake、Tomita Atsuhiro、Kobayashi Kan、Shihoya Wataru、Yamashita Keitaro、Nishizawa Tomohiro、Kato Hideaki E.、Inoue Asuka、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Molecular Cell 巻: 82 号: 18 ページ: 3468-3483
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2022.07.003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structure of the Dicer-2-R2D2 heterodimer bound to a small RNA duplex (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Sonomi、Naganuma Masahiro、Nishizawa Tomohiro、Kusakizako Tsukasa、Tomari Yukihide、Nishimasu Hiroshi、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Nature 巻: 607 号: 7918 ページ: 393-398
  • DOI: 10.1038/s41586-022-04790-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cryo-EM structures of thylakoid-located voltage-dependent chloride channel VCCN1 (2022)
  • 著者名/発表者名: Hagino Tatsuya、Kato Takafumi、Kasuya Go、Kobayashi Kan、Kusakizako Tsukasa、Hamamoto Shin、Sobajima Tomoaki、Fujiwara Yuichiro、Yamashita Keitaro、Kawasaki Hisashi、Maturana Andr?s D.、Nishizawa Tomohiro、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 2505-2505
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30292-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure of the type V-C CRISPR-Cas effector enzyme (2022)
  • 著者名/発表者名: Kurihara Nina、Nakagawa Ryoya、Hirano Hisato、Okazaki Sae、Tomita Atsuhiro、Kobayashi Kan、Kusakizako Tsukasa、Nishizawa Tomohiro、Yamashita Keitaro、Scott David A.、Nishimasu Hiroshi、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Molecular Cell 巻: 82 号: 10 ページ: 1865-1877
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2022.03.006
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural basis for channel conduction in the pump-like channelrhodopsin ChRmine. (2022)
  • 著者名/発表者名: Koichiro E. Kishi et al.
  • 雑誌名: Cell 巻: 185 号: 4 ページ: 672-689
  • DOI: 10.1016/j.cell.2022.01.007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cryo-EM reveals mechanistic insights into lipid-facilitated polyamine export by human ATP13A2. (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomita, A., Daiho, T., Kusakizako, T., Yamashita, K., Ogasawara, S., Murata, T., Nishizawa, T. and Nureki, O.
  • 雑誌名: Mol. Cell 巻: 81 号: 23 ページ: 4799-4809
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2021.11.001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural basis of gating modulation of Kv4 channel complexes. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kise Y, Kasuya G, Okamoto HH, Yamanouchi D, Kobayashi K, Kusakizako T, Nishizawa T, Nakajo K, Nureki O.
  • 雑誌名: Nature 巻: 599 号: 7883 ページ: 158-164
  • DOI: 10.1038/s41586-021-03935-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cryo-EM structure of the human MT1-Gi signaling complex. (2021)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, H. H., Miyauchi, H., Inoue, A., Raimondi, F., Tsujimoto, H., Kusakizako, T., Shihoya, W., Yamashita, K., Suno, R., Nomura, N., Kobayashi, T., Iwata, S., Nishizawa, T. and Nureki, O.
  • 雑誌名: Nat. Struct. Mol. Biol. 巻: 28 号: 8 ページ: 694-701
  • DOI: 10.1038/s41594-021-00634-1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] MATEタンパク質の構造生物学 (2021)
  • 著者名/発表者名: 草木迫 司
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 61 号: 3 ページ: 183-185
  • DOI: 10.2142/biophys.61.183
  • NAID: 130008045146
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The structure of MgtE in the absence of magnesium provides new insights into channel gating. (2021)
  • 著者名/発表者名: Jin F, Sun M, Fujii T, Yamada Y, Wang J, Maturana AD, Wada M, Su S, Ma J, Takeda H, Kusakizako T, Tomita A, Nakada-Nakura Y, Liu K, Uemura T, Nomura Y, Nomura N, Ito K, Nureki O, Namba K, Iwata S, Yu Y, Hattori M.
  • 雑誌名: PLoS Biology 巻: 19 号: 4 ページ: e3001231-e3001231
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3001231
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Time-resolved serial femtosecond crystallography reveals early structural changes in channelrhodopsin (2021)
  • 著者名/発表者名: Oda Kazumasa、Nomura Takashi、Nakane Takanori、Yamashita Keitaro、Inoue Keiichi、Ito Shota、Vierock Johannes、Hirata Kunio、Maturana Andres D、Katayama Kota、( 32 authers )、Kandori Hideki、Hegemann Peter、Iwata So、Kubo Minoru、Nishizawa Tomohiro、Nureki Osamu
  • 雑誌名: eLife 巻: 10 ページ: 1-21
  • DOI: 10.7554/elife.62389
  • NAID: 120006996980
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Conserved binding site in the N-lobe of prokaryotic MATE transporters suggests a role for Na+ in ion-coupled drug efflux (2021)
  • 著者名/発表者名: Castellano Steven、Claxton Derek P.、Ficici Emel、Kusakizako Tsukasa、Stix Robyn、Zhou Wenchang、Nureki Osamu、Mchaourab Hassane S.、Faraldo-Gomez Jose D.
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 296 ページ: 100262-100262
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2021.100262
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structure of the miniature type V-F CRISPR-Cas effector enzyme (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeda Satoru N.、Nakagawa Ryoya、Okazaki Sae、Hirano Hisato、Kobayashi Kan、Kusakizako Tsukasa、Nishizawa Tomohiro、Yamashita Keitaro、Nishimasu Hiroshi、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Molecular Cell 巻: 81 号: 3 ページ: 558-570.e3
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2020.11.035
  • 査読あり
• [雑誌論文] Taste transduction and channel synapses in taste buds (2021)
  • 著者名/発表者名: Taruno Akiyuki、Nomura Kengo、Kusakizako Tsukasa、Ma Zhongming、Nureki Osamu、Foskett J. Kevin
  • 雑誌名: Pflugers Archiv - European Journal of Physiology 巻: 473 号: 1 ページ: 3-13
  • DOI: 10.1007/s00424-020-02464-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structure of the human secretin receptor coupled to an engineered heterotrimeric G protein (2020)
  • 著者名/発表者名: Fukuhara Satoshi、Kobayashi Kazuhiro、Kusakizako Tsukasa、Iida Wataru、Kato Masahiko、Shihoya Wataru、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 533 号: 4 ページ: 861-866
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.08.042
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cryo-EM structures of calcium homeostasis modulator channels in diverse oligomeric assemblies (2020)
  • 著者名/発表者名: Demura Kanae*、Kusakizako Tsukasa*、Shihoya Wataru*、Hiraizumi Masahiro*、Nomura Kengo、Shimada Hiroto、Yamashita Keitaro、Nishizawa Tomohiro、Taruno Akiyuki、Nureki Osamu (*equal contribution)
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 6 号: 29
  • DOI: 10.1126/sciadv.aba8105
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The structure of lipid nanodisc-reconstituted TRPV3 reveals the gating mechanism (2020)
  • 著者名/発表者名: Shimada Hiroto*、Kusakizako Tsukasa*、Dung Nguyen T. H.、Nishizawa Tomohiro、Hino Tomoya、Tominaga Makoto、Nureki Osamu (*equal contribution)
  • 雑誌名: Nature Structural & Molecular Biology 巻: 27 号: 7 ページ: 645-652
  • DOI: 10.1038/s41594-020-0439-z
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 多剤排出輸送体MATEの構造および機能解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中 良樹、草木迫 司
  • 雑誌名: ファルマシア 巻: 56 号: 6 ページ: 514-518
  • DOI: 10.14894/faruawpsj.56.6_514
  • NAID: 130007850170
  • ISSN: 0014-8601, 2189-7026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cryo-EM structure of the volume-regulated anion channel LRRC8D isoform identifies features important for substrate permeation (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Ryoki、Numata Tomohiro、Kasuya Go、Yokoyama Takeshi、Nishizawa Tomohiro、Kusakizako Tsukasa、Kato Takafumi、Hagino Tatsuya、Dohmae Naoshi、Inoue Masato、Watanabe Kengo、Ichijo Hidenori、Kikkawa Masahide、Shirouzu Mikako、Jentsch Thomas J.、Ishitani Ryuichiro、Okada Yasunobu、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 3 号: 1 ページ: 240-240
  • DOI: 10.1038/s42003-020-0951-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] ChRの機能発現機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 草木迫 司
  • 学会等名: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] クライオ電子顕微鏡による膜タンパク質の単粒子解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 草木迫 司
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] MATEトランスポーターの構造生物学 (2020)
  • 著者名/発表者名: 草木迫 司、宮内 弘剛、石谷 隆一郎、濡木 理
  • 学会等名: 第5回トランスポーター研究会関東部会
  • 招待講演
• [備考] 骨代謝に関わるPTH1受容体のシグナル伝達複合体を可視化（東京大学プレスリリース）
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2022/8014/
• [備考] 新規光駆動型イオンチャネルの構造解明と高性能分子ツールの創出～神経科学に光を当てる～
  • URL: https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/press/z0109_00034.html
• [備考] 細胞内へのポリアミン輸送メカニズムの解明（東京大学プレスリリース）
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2021/7644/
• [備考] 制御サブユニットによるイオンチャネル巨大複合体のモジュレーション機構を解明（東京大学プレスリリース）
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2021/7525/
• [備考] 甘味・うま味・苦味物質の認識に必要なATPチャネルの構造可視化に成功（東京大学理学部プレスリリース）
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2020/6936/