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1分子計測法によるチャネルタンパクの構造揺らぎ・機能揺らぎ相関の研究

公募研究

研究領域揺らぎが機能を決める生命分子の科学
研究課題/領域番号 21107518
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関独立行政法人理化学研究所 (2010)
大阪大学 (2009)

研究代表者

井出 徹  独立行政法人理化学研究所, 細胞動態計測研究開発グループ, 研究員 (60231148)

研究期間 (年度) 2009 – 2010
研究課題ステータス 完了 (2010年度)
配分額 *注記
7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円)
2010年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
2009年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
キーワードゆらぎ / 1分子計測 / 1分子操作 / イオンチャネル / KcsA / 人工脂質膜 / 構造機能相関
研究概要

チャネルタンパクは生体膜を貫通するタンパクで、その中心にイオンを透過させる細孔を持つ。特定の刺激に応じて、細孔を開閉させることにより膜の透過性を制御している。単一チャネル電流計測技術と蛍光標識による1分子イメージング法を組み合わせれば、分子内運動による機能変化を従来法に較べてより直接的に示すことが出来るものと期待されている。この方法を用いて、チャネルタンパクの構造ゆらぎと機能の関係を見出すことが目的である。
細菌のKチャネル(KcsA)のCys置換変異体を数種類作成し蛍光標識を行った。巨視的な蛍光計測の結果、これらのうち幾つかは、チャネルの開確率が低い(pH7)条件と高い(pH4)条件下で蛍光強度に著しい差を生じさせることが分かった。この結果からゲーティングに伴いタンパクの構造が大きく変わることを見いだした。ところが、タンパク1分子で同じ計測を行うと単一チャネル電流に見られる速い揺らぎは見えず、ゆっくりとした揺らぎが観測された。即ち、構造揺らぎと機能揺らぎが同期していない。これは、構造と機能が1対1に対応しない(機能に対応しない構造が存在する)可能性を示している。揺らぐ「状態」が機能に対応しているのかも知れない。
上記の構造変化を確認するために、チャネルタンパクの1分子操作を行った。人工膜に組み込んだチャネルタンパクの細胞内領域を膜方向に操作することにより、活性が著しく上昇することを確認した。中性溶液中ではKcsAチャネルは殆ど活性を示さないが、ガラス微小探針等で操作することにより、酸性(pH4)条件下に匹敵する程の活性を持たせることが出来た。これは、上記蛍光計測の結果を確認するとともに新たな計測手法としても注目される。

報告書

(2件)
  • 2010 実績報告書
  • 2009 実績報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2011 2010 2009 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件) 学会発表 (16件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Rearrangements in the KcsA cytoplasmic domain underlie its gating.2010

    • 著者名/発表者名
      Hirano Minako
    • 雑誌名

      J Biol Chem

      巻: 285 ページ: 3777-3783

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Single channel properties of lysenin measured in artificial lipid bilayers and their applications to biomolecule detection.2010

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Aoki
    • 雑誌名

      Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci

      巻: 86 ページ: 920-925

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Simultaneous optical and electrical recording of single drug bonding to single ion channel proteins.2010

    • 著者名/発表者名
      Ide T.
    • 雑誌名

      ChemPhysChem

      巻: 11 ページ: 3408-3411

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Rearrangements in the KcsA cytoplasmic domain underlie its gating2010

    • 著者名/発表者名
      Minako Hirano, Yuko Takeuchi, Takaaki Aoki, Toshio Yanagida, Toru Ide
    • 雑誌名

      Journal of Biological Chemistry 285

      ページ: 3777-3783

    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Current recordings of ion channel proteins immobilized on resinbeads2009

    • 著者名/発表者名
      Hirano, M., Takeuchi, Y., Aoki, T., Yanagida, T., Ide, T.
    • 雑誌名

      Analytical Chemistry 81(8)

      ページ: 3151-3154

    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Simultaneous optical and electrical single channel recordings on a PEG-glass

    • 著者名/発表者名
      Toru Ide, Yuko Takeuchi, Hiroyuki Noji, Kazuhito Tabata
    • 雑誌名

      Langmuir (印刷中)

    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] The role of the cytoplasmic domain in pH-dependent gating by the KcsA channel2011

    • 著者名/発表者名
      Minako Hirano
    • 学会等名
      Biophysical Society 55th Annual Meeting
    • 発表場所
      Baltimore, Maryland US
    • 年月日
      2011-03-07
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] The role of the cytoplasmic domain in pH-dependent gating by the KcsA channel2010

    • 著者名/発表者名
      Minako Hirano
    • 学会等名
      Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions, The 4rd International Symposium
    • 発表場所
      滋賀県大津市
    • 年月日
      2010-12-01
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Direct manipulation of a single potassium channel gate with an atomic force microscope probe2010

    • 著者名/発表者名
      Toru Ide
    • 学会等名
      Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions, The 4rd International Symposium
    • 発表場所
      滋賀県大津市
    • 年月日
      2010-12-01
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] The role of the cytoplasmic domain in pH-dependent gating by the KcsA channel2010

    • 著者名/発表者名
      Minako Hirano
    • 学会等名
      GCOE/Structural Biology Research Center International Symposium
    • 発表場所
      愛知県名古屋市
    • 年月日
      2010-11-23
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] The role of the cytoplasmic domain in pH-dependent gating by the KcsA channel2010

    • 著者名/発表者名
      平野美奈子
    • 学会等名
      第48回 日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      宮城県仙台市
    • 年月日
      2010-09-22
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 可視1分子計測によるチャネルたんぱく質の分子内運動計測2010

    • 著者名/発表者名
      井出徹
    • 学会等名
      第30回表面科学学術講演会・第51回真空に関する連合講演会合同講演会
    • 発表場所
      大阪府吹田市
    • 年月日
      2010-09-04
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Kチャネルゲートの1分子操作2010

    • 著者名/発表者名
      井出徹
    • 学会等名
      第10回日本蛋白質科学会年会 蛋白質1分子内部運動と機能発現
    • 発表場所
      北海道札幌市
    • 年月日
      2010-06-17
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Simultaneous optical and electrical recording of single drug bindings to single ion channel proteins2009

    • 著者名/発表者名
      T.Ide, M.Hirano
    • 学会等名
      Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions, 3rd International Symposium
    • 発表場所
      Nagoya University
    • 年月日
      2009-12-20
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] Rearrangements in the KcsA cytoplasmic domain underlie its gating2009

    • 著者名/発表者名
      M.Hirano, Y.Takeuchi, T.Aoki, T.Yanagida, T.Ide
    • 学会等名
      Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions, 3rd International Symposium
    • 発表場所
      Nagoya University
    • 年月日
      2009-12-20
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] Artificial lipid bilayers for ion channel studies2009

    • 著者名/発表者名
      Toru Ide
    • 学会等名
      Innovative nanoscience of supermolecular motor proteins working in biomembranes.
    • 発表場所
      Kyoto University (Inamori Hall)
    • 年月日
      2009-09-08
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] Rearrangements in the KcsA cytoplasmic domain underlie its gating2009

    • 著者名/発表者名
      M.Hirano, Y.Takeuchi, T.Aoki, T.Yanagida, T.Ide
    • 学会等名
      Innovative nanoscience of supermolecular motor proteins working in biomembranes.
    • 発表場所
      Kyoto University (Inamori Hall)
    • 年月日
      2009-09-08
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] Gating mechanism analysis in voltage sensitive potassium channels2009

    • 著者名/発表者名
      Y.Takeuchi, M.Hirano, T.Aoki, T. Yanagida, T.Ide
    • 学会等名
      Innovative nanoscience of supermolecular motor proteins working in biomembranes.
    • 発表場所
      Kyoto University (Inamori Hall)
    • 年月日
      2009-09-08
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] Single Antibiotics Channel Current Measurement2009

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Aoki, Minako Hirano, Yuko Takeuchi, Toshihide Kobayashi, Toshio Yanagida, Toru Ide
    • 学会等名
      Innovative nanoscience of supermolecular motor proteins working in biomembranes.
    • 発表場所
      Kyoto University (Inamori Hall)
    • 年月日
      2009-09-08
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] Gating mechanism analysis in voltage sensitive potassium channels2009

    • 著者名/発表者名
      Y.Takeuchi, M.Hirano, T.Aoki, T.Yanagida, T.Ide
    • 学会等名
      5th Handai Nanoscience and Nanotechnology International Symposium
    • 発表場所
      大阪大学・銀杏会館
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] Rearrangements in the KcsA cytoplasmic domain underlie its gating2009

    • 著者名/発表者名
      M.Hirano, Y.Takeuchi, T.Aoki, T.Yanagida, T.Ide
    • 学会等名
      5th Handai Nanoscience and Nanotechnology International Symposium
    • 発表場所
      大阪大学・銀杏会館
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] Rearrangements in the KcsA cytoplasmic domain underlie its gating2009

    • 著者名/発表者名
      M.Hirano, Y.Takeuchi, T.Aoki, T.Yanagida, T.Ide
    • 学会等名
      日本生物物理学会第47回年会
    • 発表場所
      アクティーとくしま
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [図書] "Simultaneous optical and electrical recording of single drug bindings to single ion channel proteins." in Cell Signaling Reactions : Single-Molecular Kinetic Analysis (Ed.by Y.Sako and M.Ueda)2011

    • 著者名/発表者名
      Toru Ide
    • 総ページ数
      14
    • 出版者
      Springer
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書

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公開日: 2009-04-01   更新日: 2018-03-28  

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