高精度１分子観察による基本ユニットラフト仮説の検証

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H04351
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 鈴木 健一 京都大学, 物質－細胞統合システム拠点, 特定拠点准教授 (50423059)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 糖脂質 / GPIアンカー型タンパク質 / 細胞膜ドメイン / ラフト / １分子観察

研究実績の概要

最近、我々は生細胞膜上でラフト親和性の糖脂質やGPIアンカー型受容体(GPI-anchored receptor = GAR)とを高精度１分子観察し、以下の新ラフト仮説を提案した。GARと糖脂質は、特異的ホモダイマーを形成し、ラフトの基本ユニットとなる。糖脂質ラフトの基本ユニットは、受容体の活性制御を行ない、また、GAR基本ユニットは、刺激後に脂質の協同的相互作用によって、安定なGAR会合体ラフトを形成し、シグナル変換のプラットフォームとなる。
本研究では、当該年度、様々なGARが短寿命のホモダイマーを形成することを発見し、GARのホモダイマー形成に一般性があることを見出した。また、糖脂質ガングリオシドについても、すべてのガングリオ系ガングリオシドが短寿命のホモダイマーを形成することを見出し、ガングリオシドのホモダイマー形成にも一般性があることを発見した。また、形成されたホモダイマーは、すべて、コレステロールにより安定化されており、さらに他のラフト脂質であるスフィンゴミエリンなどを短期間リクルートすることを見出した。さらに、ガングリオシドのホモダイマー形成に必須の糖鎖構造を決定すべく、全化学合成によって、様々な官能基を欠損させたGM3のアナログ体のホモダイマー形成を観察し、一部の官能基が重要であることを発見した。また、ガングリオシドプローブのうちGM3が最も長い期間、EGF受容体と相互作用することを見出した。さらにGM3のシアル酸のないアシアロ体は、EGF受容体とほとんど相互作用しないので、GM3のシアル酸がEGF受容体との相互作用には重要であることを発見した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

GARや糖脂質のホモダイマーの一般性を検証するのが、本研究の最初の目標であったが、多種類の分子についてホモダイマー形成を確認でき、これを達成できた。また、糖脂質の糖鎖のどの官能基がホモダイマー形成に重要であるかの同定も、全化学合成法によるアナログ体を用いた研究で進んでおり、順調である。EGF受容体とガングリオシドの相互作用の詳細の解明も進んでいる。今後のさらなる研究により、ラフトの理解が急速に進むかもしれない。

今後の研究の推進方策

今後は、さらにGARや糖脂質のホモダイマー形成機構やホモダイマーによる受容体活性制御機構を解明していく。そのため、まず、分子動力学シミュレーション(MD)でガングリオシドダイマー形成に重要な糖鎖部位を予測する。今まで行ってきたGM3の官能基が欠損したアナログ体のダイマー形成能の結果と突き合わせて、ホモダイマー形成に必須な官能基を決定していく。次に、GM3ホモダイマーによるEGF受容体活性制御の詳細をさらに解明していく。GM3のアシアロ体であるラクトシルセラミドは、EGF受容体とほとんど相互作用しないことを明らかにしたが、シアル酸の中のどの官能基が重要かを決定する。次に、GM3と相互作用するために必須なEGF受容体側の構造を明らかにする。今までのデータからGM3の糖鎖とEGF受容体のN型糖鎖との間の相互作用が最も考えられるので、EGF受容体の中のどのN型糖鎖がGM3と相互作用するのかを明らかにする。

研究成果

• [国際共同研究] 国立生命科学研究センター(NCBS)/幹細胞・再生医学研究所(inStem)(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: 国立生命科学研究センター(NCBS)/幹細胞・再生医学研究所(inStem)
• [雑誌論文] Raft-based sphingomyelin interactions revealed by new fluorescent sphingomyelin analogs (2017)
  • 著者名/発表者名: Masanao Kinoshita*, Kenichi G. N. Suzuki* (*equal contribution), Nobuyuki Matsumori, Misa Takada, Hikaru Ano, Kenichi Morigaki, Mitsuhiro Abe, Asami Makino, Toshihide Kobayashi, Koichiro M. Hirosawa, Takahiro K. Fujiwara, Akihiro Kusumi, and Michio Murata.
  • 雑誌名: J. Cell Biol. 巻: 216 ページ: 1183-1204
  • DOI: 10.1083/jcb.201607086
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ガングリオシドプローブの1分子観察によりラフト動態を探る (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木健一
  • 雑誌名: 生化学 巻: 89 ページ: 121-125
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2017.890121
  • 査読あり
• [雑誌論文] Raft-based interactions of gangliosides with a GPI-anchored receptor (2016)
  • 著者名/発表者名: Naoko Komura*, Kenichi G. N. Suzuki*, Hiromune Ando* (*equal contribution), Miku Konishi, Machi Koikeda, Akihiro Imamura, Rahul Chadda, Takahiro K. Fujiwara, Hisae Tsuboi, Ren Sheng, Wonhwa Cho, Koichi Furukawa, Keiko Furukawa, Yoshio Yamauchi, Hideharu Ishida, Akihiro Kusumi and Makoto Kiso.
  • 雑誌名: Nat. Chem. Biol. 巻: 12 ページ: 402-410
  • DOI: 10.1038/nchembio.2059
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Confined diffusion of transmembrane proteins and lipids induced by the same actin meshwork lining the plasma membrane. (2016)
  • 著者名/発表者名: Takahiro K. Fujiwara, Kokoro Iwasawa, Ziya Kalay, Taka A. Tsunoyama, Yusuke Watanabe, Yashuhiro M. Umemura, Hideji Murakoshi, Kenichi G. N. Suzuki, Yuri N. Nemoto, Nobuhiro Morone, and Akihiro Kusumi.
  • 雑誌名: Mol. Biol. Cell 巻: 27 ページ: 1101-1119
  • DOI: 10.1091/mbc.E15-04-0186
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 1分子観察によるガングリオシドのクラスター形成機構とEGF受容体活性制御機構の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木健一
  • 学会等名: 新学術領域研究「神経糖鎖生物学」最終班会議
  • 発表場所: JPタワー名古屋
  • 年月日: 2017-04-03 – 2017-04-04
  • 招待講演
• [学会発表] 高精度1分子観察で初めて明らかになった細胞膜構造とシグナル伝達機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木健一
  • 学会等名: 第３回医薬獣連携研究会プログラム
  • 発表場所: 岐阜薬科大学
  • 年月日: 2017-01-27
  • 招待講演
• [学会発表] Regulation mechanisms of EGF receptor activity by gangliosides as revealed by single-molecule imaging (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenichi G. N. Suzuki
  • 学会等名: The 8th Asian Community for Glycoscience and Glycotechnology Annual Conference
  • 発表場所: Jiangnan University, Wuxi, China
  • 年月日: 2016-10-13 – 2016-10-16
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 1分子イメージングにより明らかになったガングリオシドの糖鎖相互作用によるEGF受容体活性制御機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴木健一
  • 学会等名: 日本プロテオーム学会2016年大会
  • 発表場所: 北里大学
  • 年月日: 2016-07-28 – 2016-07-29
  • 招待講演
• [学会発表] Unraveling of raft organization and function by single-molecule imaging of new ganglioside probes (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenichi G. N. Suzuki
  • 学会等名: The 21st iCeMS International Symposium
  • 発表場所: Kyoto University
  • 年月日: 2016-06-03 – 2016-06-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 脂質の挙動をありのままに再現する蛍光プローブでラフトの形成機構を解明
  • URL: http://www.icems.kyoto-u.ac.jp/ja/news/3598
• [備考] 新しい糖脂質蛍光プローブを開発して細胞膜の"筏ナノドメイン"を解明
  • URL: https://www.icems.kyoto-u.ac.jp/ja/news/2732