聴覚や平衡感覚に関わる機械刺激-電気信号変換の構造基盤の解明

• 研究課題/領域番号: 22K15072
• 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): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2023年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2022年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
• キーワード: イオンチャネル / 膜タンパク質 / 機械刺激 / クライオ電子顕微鏡 / 単粒子解析 / チャネル

研究開始時の研究の概要

聴覚や平衡感覚に関わる機械刺激-電気信号変換（Mechanoelectrical transduction: MET）チャネル複合体は，TMCタンパク質といくつかのサブユニットにより構成されるが，その作動機構には不明な点が多く残されている。本研究では，制御サブユニットによるチャネル活性調節機構を含めたMETチャネル複合体の作動機構の解明を目指す。

研究実績の概要

METチャネル複合体は内耳有毛細胞の不動毛に局在し、音や体に加わる加速度などによって生じた機械刺激を電気信号に変換する役割を果たすことで、聴覚や平衡感覚の受容に関与している。複数のタンパク質がMETチャネル複合体の構成因子として知られており、TMCタンパク質（TMC1/TMC2）がイオン透過経路を形成し、膜タンパク質であるTMIEやLHFPL5、細胞内因子であるCIB2/CIB3が補助サブユニットとしてMETチャネルの活性を調節すると考えられている。しかし、METチャネル複合体を構成する各サブユニットがどのようにMETチャネル活性を調節するのか、そして機械刺激によってどのようにチャネルが開閉するのかという核心的な問いについては未だ謎に包まれている。本年度はTMCとCIBの複合体サンプルの発現系・精製系を確立し、ナノディスク再構成の条件を最適化して、クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子解析により、高分解能の密度マップを取得した。得られた密度マップによりTMC-CIB複合体の構造決定に成功し、チャネル開閉メカニズムに関する知見を得た。得られた構造に基づき、今後機能解析を進める。さらにTMIEやLHFPL5などの補助サブユニットを含めた複合体形成の条件検討を進め、複数のMETチャネル複合体の形成条件を見出した。今後それらの立体構造を決定して、各サブユニットによるMETチャネル活性の制御メカニズムを解明する。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

TMC-CIB複合体の構造決定に成功して、チャネル開閉メカニズムに関する知見を得ることができたため。

今後の研究の推進方策

得られた構造に基づいて機能解析を進める。他のサブユニットを含むMETチャネル複合体の構造決定を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Mechanistic and evolutionary insights into a type V-M CRISPR?Cas effector enzyme (2023)
  • 著者名/発表者名: Omura Satoshi N.、Nakagawa Ryoya、S?dfeld Christian、Villegas Warren Ricardo、Wu Wen Y.、Hirano Hisato、Laffeber Charlie、Kusakizako Tsukasa、Kise Yoshiaki、Lebbink Joyce H. G.、Itoh Yuzuru、van der Oost John、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Nature Structural and Molecular Biology 巻: 30 号: 8 ページ: 1172-1182
  • DOI: 10.1038/s41594-023-01042-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Class B1 GPCR activation by an intracellular agonist (2023)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Kazuhiro、Kawakami Kouki、Kusakizako Tsukasa、Tomita Atsuhiro、Nishimura Michihiro、Sawada Kazuhiro、Okamoto Hiroyuki H.、Hiratsuka Suzune、Nakamura Gaku、Kuwabara Riku、Noda Hiroshi、Muramatsu Hiroyasu、Shimizu Masaru、Taguchi Tomohiko、Inoue Asuka、Murata Takeshi、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Nature 巻: 618 号: 7967 ページ: 1085-1093
  • DOI: 10.1038/s41586-023-06169-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cryo-EM structure of the transposon-associated TnpB enzyme (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa Ryoya、Hirano Hisato、Omura Satoshi N.、Nety Suchita、Kannan Soumya、Altae-Tran Han、Yao Xiao、Sakaguchi Yuriko、Ohira Takayuki、Wu Wen Y.、Nakayama Hiroshi、Shuto Yutaro、Tanaka Tatsuki、Sano Fumiya K.、Kusakizako Tsukasa、Kise Yoshiaki et al.
  • 雑誌名: Nature 巻: 616 号: 7956 ページ: 390-397
  • DOI: 10.1038/s41586-023-05933-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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
• [備考] GPCR作動薬による新規の受容体活性化機構を解明（東京大学プレスリリース）
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/8479/
• [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/