ＡＢＣトランスポータＮＢＤエンジンにおけるＡＴＰエネルギー利用メカニズムの解明

• 研究領域: 水を主役としたＡＴＰエネルギー変換
• 研究課題/領域番号: 23118714
• 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: 複合領域
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 相馬 義郎 慶應義塾大学, 医学部, 准教授 (60268183)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2013-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2012年度)
• 配分額: 15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円); 2012年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円); 2011年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
• キーワード: ABCトランスポータ / ATP加水分解 / NBDドメイン / CFTR / チャネル / 結合エネルギー / ゲーティング / 水和 / ATP結合ドメイン

研究概要

本研究では、ABCトランスポータ・CFTRチャネルのATP依存性ゲーティングサイクルを非加水分解ATPアナログであるピロリン酸PPiを用いて詳しく解析することにより、NBD2量体が部分解離しているのにもかかわらずポアが開口状態にある新規中間状態Xiの存在を発見した。このことは、一回の開口イベント中に複数個のATP分子が加水分解されうることを示している。さらにR352C変異CFTRが、開口中に起こるATP加水分解の前と後でシングルチャネルコンダクタンスが変化することを発見した。このR352C-CFTRに新規中間状態Xiの安定性に影響を与えるW401F変異を導入してその効果を検討することにより、ATP加水分解サイクルとゲーティングサイクルとのルーズカップリングが追確認できた。同じ現象がABCトランスポータ・スーパーファミリーの他の輸送ポンプ分子にも起こっているとすれば、一定の外部仕事（基質１分子の上り坂輸送）に使われるエネルギー（加水分解されるATP分子の数）が確率的に変化していることを意味しており、ATPエネルギーの理解において極めて重要な発見である。
つぎに、高速原子間力顕微鏡(高速AFM)を用いたCFTRチャネルの1分子動態観察を中心とした研究を行なった。まず、単離精製した可溶化CFTR蛋白の高速AFM観察を行なった。この条件下ではCFTRはAFMステージ上で横倒位になっており、以前の単粒子解析(SPA)の結果と同様に、卵型のCFTR分子が2量体を形成しているのが確認できた。さらに、SPAでは捉えられなかった活性調節(R)ドメインと思われる構造物が、CFTR分子の細胞内側底面部で揺らいでいるのを観察できた。これは、CFTRにおけるRドメインの分子内での位置および動態についての初めての情報である。
また、上記の実験に並行して、CFTRとの比較対象の候補であるBKCaチャネルおよびSKCaチャネルの研究も行なった。

現在までの達成度 (区分)

理由

25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

25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] The Power Stroke Driven by ATP Binding in CFTR As Studied by by ATP Binding in CFTR As Studied by Molecular Dynamics Simulations (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Furukawa-Hagiya
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 117 号: 1 ページ: 83-93
  • DOI: 10.1021/jp308315w
  • 査読あり
• [雑誌論文] チャネル1分子を動画で見たい。ABCトランスポーター CFTRチャネルのATP駆動性ゲーティング：静止画から動画へ (2013)
  • 著者名/発表者名: 相馬義郎、山下隼人
  • 雑誌名: 日本薬理学雑誌 巻: 141 ページ: 230-234
  • NAID: 10031171122
• [雑誌論文] Curcumin and Genistein: the combined effects on disease-associated CFTR mutants and their clinical implications. (2013)
  • 著者名/発表者名: Sohma Y, Yu YC, Hwang TC
  • 雑誌名: Current Pharmaceutical Design 巻: 19 号: 19 ページ: 3521-3528
  • DOI: 10.2174/13816128113199990320
  • 査読あり
• [雑誌論文] Amiodarone inhibits apamin-sensitive potassium currents (2013)
  • 著者名/発表者名: Turker I, Yu CC, Chang PC, Chen Z, Sohma Y, Lin SF, Chen PS, Ai T
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 8 号: 7 ページ: e70450-e70450
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0070450
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanisms underlying regional differences in the Ca2+ sensitivity of BKCa current in arteriolar smooth muscle. (2013)
  • 著者名/発表者名: Yang Y, Sohma Y, Nourian Z, Ella SR, Li M, Stupica A, Korthuis RJ, Davis MJ, Braun AP, Hill M
  • 雑誌名: Journal of Physiology 巻: 591 号: 5 ページ: 1277-1293
  • DOI: 10.1113/jphysiol.2012.241562
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of a novel post-hydrolytic state in CFTR gating (2012)
  • 著者名/発表者名: Jih KY, Sohma Y, Li M, Hwang TC
  • 雑誌名: J. Gen. Physiol. 巻: 139 号: 5 ページ: 359-370
  • DOI: 10.1085/jgp.201210789
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-integral stoichiometry in CFTR gating revealed by a pore-lining mutation (2012)
  • 著者名/発表者名: Jih KY, Sohma Y, Hwang TC
  • 雑誌名: J. Gen. Physiol 巻: 140 号: 4 ページ: 347-359
  • DOI: 10.1085/jgp.201210834
  • 査読あり
• [学会発表] 高速AFMによるCFTRチャネルのゆらぎの一分子動態観察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 相馬義郎
  • 学会等名: 第90回日本生理学会年会 シンポジウム
  • 発表場所: 東京タワーホール船堀
• [学会発表] ABC トランスポータCFTR チャネルのATP 駆動ゲーティング機構 (2013)
  • 著者名/発表者名: 相馬義郎
  • 学会等名: 第341 回 情報計算化学生物学会研究講演会
  • 発表場所: 東京大学山上会館大会議室
  • 招待講演
• [学会発表] 高速AFMによる膜機能分子のゆらぎの直接観察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 相馬義郎、山下隼人
  • 学会等名: 平成２５年度 生理研研究会 「膜機能分子の機能・構造ゆらぎの時空間スペクトル解析」
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター、岡崎市、愛知県
• [学会発表] 高速AFMによるアクアポリン4チャネルの直接観察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 山下隼人、会津心之亮、加藤純悟、阿部陽一郎、安井正人、相馬義郎
  • 学会等名: 第 51 回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 国立京都国際会館
• [学会発表] 分子動力学シミュレーションで探るCFTRにおける変異の影響 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小寺充彦、萩谷朋佳、古田忠臣、相馬義郎、櫻井 実
  • 学会等名: 第 51 回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 国立京都国際会館
• [学会発表] CARS顕微鏡と高速原子間力顕微鏡： 上皮膜輸送研究に有用な２つの革新的測定技術 (2013)
  • 著者名/発表者名: 相馬義郎、山下隼人、余 盈君、安井正人
  • 学会等名: 第91回日本生理学会大会
  • 発表場所: 鹿児島大学郡元キャンパス
• [学会発表] 高速AFMによるCFTRチャネルのゆらぎの一分子動態観察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 相馬義郎
  • 学会等名: 第90回日本生理学会年会 シンポジウム
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] 高速AFM によるCFTR チャネルの動態観察 (2012)
  • 著者名/発表者名: 山下隼人、三尾和弘、三尾宗代、内橋貴之、安井正人、安藤敏夫、相馬義郎
  • 学会等名: 第50回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス
• [学会発表] Effects of genistein and curcumin on non-hydrolytic CFTR mutants (2012)
  • 著者名/発表者名: Sohma Y
  • 学会等名: 56th Biophysical Society Annual Meeting
  • 発表場所: San Diego, USA
• [学会発表] ABCトランスポータCFTRチャネルのATP駆動性ゲーティング：静止画から動画へ (2012)
  • 著者名/発表者名: 相馬義郎
  • 学会等名: 第85回日本薬理学会年会 シンポジウム
  • 発表場所: 京都
• [学会発表] ABCトランスポータCFTRチャネルのATP加水分解駆動性ゲーティングの構造機能連関 (2012)
  • 著者名/発表者名: 相馬義郎
  • 学会等名: 第89回日本生理学会年会 シンポジウム
  • 発表場所: 松本
• [学会発表] 高速AFM によるCFTR チャネルの動態観察 (2012)
  • 著者名/発表者名: 山下隼人（相馬義郎）
  • 学会等名: 第50回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 名古屋
• [学会発表] ABCトランスポータ・CFTRチャネルにおけるATP加水分解の成否を決めている作動サイクル中間状態 (2011)
  • 著者名/発表者名: 相馬義郎
  • 学会等名: 第49回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 姫路
• [図書] Curcumin: Biosynthesis, Medicinal Uses and Health Benefits. Eds. Sasaki & Kichida (2012)
  • 著者名/発表者名: Sohma Y, Yu YC, Miki H, Nakamura Y, Hanyuda A, Lin HY, Yasui M, Bompadre SG, Hwang TC
  • 総ページ数: 12
  • 出版者: Nova Science Publishers, New York, USA
• [図書] Cystic Fibrosis Protocols and Diagnosis, Methods in Molecular Biology, 741 (2011)
  • 著者名/発表者名: Cai Z, Sohma Y, Bompadre SG, Sheppard DN, Hwang TC
  • 総ページ数: 35
  • 出版者: Humana Press, New York, USA
• [備考] 慶應義塾大学医学部薬理学教室
  • URL: http://www.pharm.med.keio.ac.jp/about/sohma.html
• [備考] Dalton Research Center, Univ of Missouri, USA
  • URL: http://dalton.missouri.edu/investigators/sohmay.php
• [備考] 慶應義塾大学医学部薬理学教室 教員紹介 相馬義郎
  • URL: http://www.pharm.med.keio.ac.jp/about/sohma.html
• [備考] Dalton Cardio Res Center, Univ. of Missouri
  • URL: http://dalton.missouri.edu/investigators/sohmay.php