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2019 年度 実績報告書

哺乳類カリウムチャネルの環境依存的イオン透過制御メカニズムの解明

研究課題

研究課題/領域番号 17K15109
研究機関分子科学研究所

研究代表者

塚本 寿夫  分子科学研究所, 生命・錯体分子科学研究領域, 助教 (90579814)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワードイオンチャネル / 蛍光標識 / 膜タンパク質
研究実績の概要

2019年度は、これまでの事業期間に遂行できなかった、イオンチャネルTWIK1に部位特異的蛍光標識を導入して、このチャネルが外部環境の変化に応じて起こす構造変化を解析することに取り組んだ。TWIK1は、他のカリウムチャネルとは異なり、外部環境に応じてナトリウムイオンを透過しうる。前年度までにTWIK1の赤外分光解析を行い、カリウムチャネルのイオン選択性を生み出す選択フィルタ部位のカリウムイオンに対する親和性が低くなっていることを見出していた。一方、TWIK1の結晶構造からは、細胞外ドメインの中にある透過するイオンの「出入口」が、透過するイオンを制御しているのではないかと推測されていた。しかし細胞外ドメインが起こす構造変化の詳細はわかっていなかった。
以上の知見に基づき、本年度に、TWIK1の細胞外ドメインにおけるイオンの「出入口」を構成するアミノ酸残基(群)をシステイン残基に置換し、そのシステイン残基に蛍光標識Bimaneを特異的に結合させた。Bimane由来の蛍光は、近傍にトリプトファン残基が存在すると消光される。都合のよいことに、「出入口」部位付近にトリプトファン残基が内在していたため、蛍光標識したTWIK1に、このトリプトファン残基がある場合と、蛍光を消光しないフェニルアラニンに置換した場合において、カリウムあるいはナトリウムを多く含む条件で蛍光強度を測定し、Bimane標識部位とトリプトファン残基の位置関係が外部のイオン環境を変えるとどのように変化するのかを調べた。
その結果、「出入口」部位はカリウムが多い条件ではコンパクトな構造を取るが、ナトリウムが多い条件ではルーズな構造を取ることを示唆する結果を得た。すなわち、TWIK1では細胞外ドメインと選択フィルタ部位の両方のはたらきにより、特異なイオン選択性が生み出されていると考えられた。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (3件) (うち招待講演 3件)

  • [国際共同研究] Paul Scherrer Institute(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      Paul Scherrer Institute
  • [雑誌論文] Session 2SFA-the symposium "Elucidation of biological functions by optical control" on BSJ2019 at Miyazaki, Japan.2020

    • 著者名/発表者名
      Hisao Tsukamoto、Yoshinori Shichida
    • 雑誌名

      Biophysical Reviews

      巻: 12 ページ: -

    • DOI

      10.1007/s12551-020-00640-5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The counterion-retinylidene Schiff base interaction of an invertebrate rhodopsin rearranges upon light activation2019

    • 著者名/発表者名
      Nagata Takashi、Koyanagi Mitsumasa、Tsukamoto Hisao、Mutt Eshita、Schertler Gebhard F. X.、Deupi Xavier、Terakita Akihisa
    • 雑誌名

      Communications Biology

      巻: 2 ページ: 180

    • DOI

      10.1038/s42003-019-0409-3

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 無脊椎動物オプシンの物性を利用してイオンチャネルを光操作する2019

    • 著者名/発表者名
      塚本寿夫
    • 学会等名
      ISSPワークショップ「レチナールタンパク質の光機能発現の物理と化学」
    • 招待講演
  • [学会発表] ”総力戦”としての光操作技術2019

    • 著者名/発表者名
      塚本寿夫
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] チャネル機能の操作ツールとしての無脊椎動物光受容体2019

    • 著者名/発表者名
      塚本寿夫
    • 学会等名
      生理研研究会「イオンチャネルと生体膜のダイナミズム:構造生物学の先にあるもの」
    • 招待講演

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公開日: 2021-01-27  

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