硫化水素分子によるイオンチャネルの機能修飾機構の解明

• 研究領域: 新興硫黄生物学が拓く生命原理変革
• 研究課題/領域番号: 22H05570
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
• 研究機関: 香川大学
• 研究代表者: 川鍋 陽 香川大学, 医学部, 講師 (10707128)
• 研究期間 (年度): 2022-06-16 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2023年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2022年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: イオンチャネル / 電位依存性イオンチャネル / 電気生理学 / パッチクランプ / 硫化水素 / H2S / 硫黄 / 電位依存性

研究開始時の研究の概要

電位依存性カリウムチャネルKv7.2/7.3は、神経細胞における電気信号発生の分子基盤であり、生理的に重要な役割を担っている。近年、神経障害性疼痛において硫化水素H2Sの役割が研究されているが、その分子レベルでの標的がKv7.2/7.3であると提唱されている。
本研究では、Kv7.2/7.3に対するH2Sの作用を検証し、その機能修飾メカニズムの理解を目的としている。電気生理学的手法と蛍光変化解析を駆使し、機能と構造変化の両面からH2Sの効果を検証する。これらの実験と本領域メンバーとの連携により、H2Sによる生体制御の分子レベルでの仕組みを理解し、将来的には創薬・医療の発展への貢献を目指す。

研究実績の概要

電位依存性カリウムチャネルKv7.2/7.3は、神経細胞における電気信号発生の分子基盤であり、生理的に重要な役割を担っている。近年、神経障害性疼痛における硫化水素H2Sの役割について研究が進んでいるが、H2Sの分子レベルでの標的がKv7.2/7.3であると提唱されている。本研究ではKv7.2/7.3に対するH2Sの作用を検証し、その機能修飾メカニズムの理解を目的としている。
前年度は、Kv7.2/7.3に関する効果を検証したが、本年度は他のKv7ファミリー, Kv7.4に対するH2Sの効果を検証した。Kv7.4は内耳に発現しており、聴覚機能に重要であることが知られているイオンチャネルである。Kv7.2/7.3の解析と同様に、哺乳類培養細胞CHOにKvを異種発現させ、電気生理学的手法（Whole-cell Clamp法）にて解析を実施した。測定の結果、Kv7.4においてもH2Sによる電流上昇が観測されたが、Kv7.2/7.3と異なり固定電位(-80mV)でのリーク電流が増大した。この電流は-150mVまで電位を下げても残っており、常時開状態の成分が出現したものと考えられる。また、電位依存性も検討したところ、閾値が負側にシフトしたことから、電位依存性の変化と常時開状態の2つの成分が電流上昇の原因であることが判明した。さらに、還元剤であるDTTで処理したところ、常時開状態成分の消失、電位依存性も戻ったため不可逆的な効果ではなく、H2S修飾による効果であることが明らかとなった。これらのH2Sによるチャネル電流への効果の違いからKv7.2/7.3および7.4では、H2Sの修飾部位が異なることが示唆された。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Sugar binding of sodium-glucose cotransporters analyzed by voltage-clamp fluorometry (2024)
  • 著者名/発表者名: Watabe Erika、Kawanabe Akira、Kamitori Kazuyo、Ichihara Satoko、Fujiwara Yuichiro
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 300 号: 5 ページ: 107215-107215
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2024.107215
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ATP modulates the activity of the voltage‐gated proton channel through direct binding interaction (2023)
  • 著者名/発表者名: Kawanabe Akira、Takeshita Kohei、Takata Maki、Fujiwara Yuichiro
  • 雑誌名: The Journal of Physiology 巻: 601 号: 18 ページ: 4073-4089
  • DOI: 10.1113/jp284175
• [雑誌論文] Rhodopsin-bestrophin fusion proteins from unicellular algae form gigantic pentameric ion channels (2022)
  • 著者名/発表者名: Rozenberg A,Kaczmarczyk I,Matzov D,Vierock J,Nagata T,Sugiura M,Katayama K,Kawasaki Y,Konno M,Nagasaka Y,Aoyama M,Das I,Pahima E,Church J,Adam S,Borin VA,Chazan A,Augustin S,Wietek J,Dine J,Peleg Y,Kawanabe A,Fujiwara Y,Yizhar O,Sheves M,Schapiro I,Furutani Y,Kandori H,Inoue K,Hegemann P,Beja O,Shalev-Benami M.
  • 雑誌名: Nature Structural & Molecular Biology 巻: 29 号: 6 ページ: 592-603
  • DOI: 10.1038/s41594-022-00783-x
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Interaction between S4 and the phosphatase domain mediates electrochemical coupling in voltage-sensing phosphatase (VSP) (2022)
  • 著者名/発表者名: Mizutani Natsuki、Kawanabe Akira、Jinno Yuka、Narita Hirotaka、Yonezawa Tomoko、Nakagawa Atsushi、Okamura Yasushi
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 号: 26 ページ: 2200364119-2200364119
  • DOI: 10.1073/pnas.2200364119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Intermolecular functional coupling between phosphoinositides and the potassium channel KcsA (2022)
  • 著者名/発表者名: Kiya Takunari、Takeshita Kohei、Kawanabe Akira、Fujiwara Yuichiro
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 298 号: 8 ページ: 102257-102257
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102257
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Akira Kawanabe, Yuichiro Fujiwara The effects of hydrogen sulfide on the voltage-gated potassium channels (2024)
  • 著者名/発表者名: Akira Kawanabe, Yuichiro Fujiwara
  • 学会等名: 第101回日本生理学会大会
• [学会発表] Functional regulation of the voltage-gated proton channel (2023)
  • 著者名/発表者名: Akira Kawanabe, Yuichiro Fujiwara
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会
• [学会発表] Direct interaction between the voltage-gated proton channel and ATP (2023)
  • 著者名/発表者名: Akira Kawanabe, Maki Takata, Kohei Takeshita and Yuichiro Fujiwara
  • 学会等名: 第100回日本生理学会大会
• [学会発表] Functional regulation of phosphoinositides to the potassium channel KcsA (2023)
  • 著者名/発表者名: Takunari Kiya, Kohei Takeshita, Akira Kawanabe, Yuichiro Fujiwara
  • 学会等名: 第100回日本生理学会大会
• [学会発表] Mechanisms of voltage-depndent H+ channel activity regulated by membrane stretch and lipids (2023)
  • 著者名/発表者名: Takata Maki, Kohei Takeshita, Akira Kawanabe, Yuichiro Fujiwara
  • 学会等名: 第100回日本生理学会大会
• [学会発表] ATPは電位依存性プロトンチャネルHv1に直接結合して活性を制御する (2022)
  • 著者名/発表者名: 川鍋陽、竹下浩平、高田麻紀、藤原祐一郎
  • 学会等名: 生理研研究会「構造情報を基盤とした膜機能分子の生理機能理解に向けて」
• [学会発表] カリウムチャネルKcsAとイノシトールリン脂質の分子間相互作用と機能修飾 (2022)
  • 著者名/発表者名: 紀谷拓音、竹下浩平、川鍋陽、藤原祐一郎
  • 学会等名: 生理研研究会「構造情報を基盤とした膜機能分子の生理機能理解に向けて」
• [学会発表] Intracellular ATP controls the voltage-gated proton channel (2022)
  • 著者名/発表者名: Akira Kawanabe, Maki Takata and Yuichiro Fujiwara
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会
• [学会発表] Toward an analysis of the effects of hydrogen sulfide on the voltage-gated potassium channel (2022)
  • 著者名/発表者名: Akira Kawanabe and Yuichiro Fujiwara
  • 学会等名: 4th International Conference on Persulfide and Sulfur Metabolism in Biology and Medicine
  • 国際学会
• [備考] 香川大学医学部分子生理学講座ホームページ
  • URL: https://www.med.kagawa-u.ac.jp/~physiology1/index.html
• [備考] 香川大学医学部 分子生理学講座
  • URL: https://www.med.kagawa-u.ac.jp/~physiology1/index.html