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2021 年度 実施状況報告書

1分子ゆらぎの直接観察による膜蛋白の機能発現と障害発生のメカニズムの解明

研究課題

研究課題/領域番号 20K07279
研究機関国際医療福祉大学

研究代表者

相馬 義郎  国際医療福祉大学, 薬学部, 教授 (60268183)

研究分担者 内橋 貴之  名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30326300)
古田 忠臣  東京工業大学, 生命理工学院, 助教 (10431834)
中川 大  中部大学, 応用生物学部, 准教授 (40397039)
岩本 真幸  福井大学, 学術研究院医学系部門, 教授 (40452122)
大崎 寿久  地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所, 人工細胞膜システムグループ, サブリーダー (50533650)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード膜蛋白複合体 / 抗原ー抗体反応 / 分子間相互作用 / 1分子直接観察 / 高速原子間力顕微鏡 / CFTR / 嚢胞線維症
研究実績の概要

膜蛋白およびそれらの高次機能複合体の動作機構の解明は、医学生理学の大きな進歩に繋がると期待されるが、細胞生理学、生化学および免疫組織学的な研究が中心であり、その分子レベルでの詳細な動作メカニズムについては、ほとんど解っていない。最近、大きく発展したクライオ電子顕微鏡(クライオEM)法によって得られる立体構造は、ある条件下における平均化構造(スナップショット)に過ぎず、それらは膜蛋白の機能発現の理解への重要な第一歩ではあるが、その全体的な理解にはまだほど遠いものがある。
研究代表者は、現在までの高速原子間力顕微鏡(高速AFM)を用いた抗原-抗体反応や膜蛋白1分子から膜蛋白複合体までの分子レベルでの直接観察を行なってきた。特に抗原-抗体反応においては、高速AFMで観察された1分子レベルでの抗原と抗体の結合・解離動態とELISAでの巨視的レベルでの結合・解離情報の間に無視できない相違が認められたことから、分子レベルと巨視レベルとの間のメゾスコピックな領域における分子間相互作用に関する未知の分子動態プロセスの存在の可能性に気づいた。
さらに、1分子の動態観察においては、嚢胞線維症原因遺伝子産物であるCFTRチャネルの細胞内側にあって、CFTRのATP依存性ゲーティングに中心的な役割を果たしている2つのNucleotide Binding Domain (NBD1&2)が、2量体形成と解離という2つの状態を単に直線的に行き来するのではなく、大きくランダムに「ゆらぐ」なかで機会的に会合して2量体を形成している可能性を指摘した。
分子の「ゆらぎ」は、CFTRの機能発現のみならず、遺伝疾患嚢胞線維症の原因である病因性変異によるCFTRの細胞膜上発現障害の病態メカ二ズムに深く関わっていることを明らかにしつつある。

現在までの達成度 (区分)
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

まず最初に、高速AFMを用いて、本研究における標的分子のひとつであるCFTRのATP依存性チャネルゲーティング機能に重要な働きをしている細胞内側にある2つのNBDが、大きくランダムに揺らいでいることを明らかにした。
一方、嚢胞線維症の分子病態メカニズムとして、病因性変異によってNBD1の構造が不安定になったり、他のドメインとの相互作用が不安定になると、分子全体が不安定になり、ゴルジでの糖鎖修飾が行われないまま、分解されてしまうクラスⅡ変異がある。研究代表者らは、日本人患者に見つかった22種類のCFTR変異からクラスⅡ変異10種類を特定し、そのうち5種類は、主要白人型クラスⅡ変異体ΔF508を安定発現させる目的で開発された発現補正薬lumacaftorによって安定発現されることを明らかにした。さらに、日本人で2番目と3番目に多いL441P変異およびH1085R変異体が、lumacaftor (VX-809)に加えて、最近開発されたelexacaftor (VX-445)によって相乗的に安定発現することも発見した。
高速AFMの1分子動態の動画データを正しく理解し、病因性変異がCFTR分子に与える不安定性を分子の揺らぎとして捉えて定量的に解析するためには、分子動力学(MD)シミュレーションが必要となる。クラスⅡ変異において重要であるNBD1のMDモデルを作成し、NBD1に存在する5つの日本人病因性変異L441P、Y517H、L548Q、I556V、L571Sのドメインの揺らぎに与える影響をシミュレートした。さらに、NBD1にそれを結合支持している2つの細胞内ループ Intracellular loop(ICL1&4)を加えた全細胞内ドメイン構造のMDモデルを作成した。

今後の研究の推進方策

1.一分子ゆらぎのMDシミュレーション
まず最初に、直近に完成した全細胞内ドメインMDモデルを用いて、ICL4に存在するH1085R変異のCFTR細胞内ドメインの揺らぎに与える影響をシミュレートし、H1085R変異のクラスⅡ発現障害メカニズムを明らかにする。
次に、CFTR分子全体をリン脂質二重膜に組込んだ生理的条件下でのMDシミュレーションを行なって、クライオEMで得られた凍結構造から、実際に機能している状態でのCFTRの分子構造を引き出す。2022年1月に発表されたlumacaftorが結合した状態でのCFTRの凍結構造を用いて、lumacaftorが病因性変異体CFTRの揺らぎに与える影響を調べて、CFTRのクラスⅡ発現障害における分子揺らぎの変化、そして補正薬の作動メカニズムを明らかにする。また、高速AFMで得られる数十ms~数sにまでおよぶタイムスケールでの揺らぎを解析するためにMartini粗視化モデルの開発を目指す。

2.日本人病因性変異体CFTRの分子病態生理学
本研究において白人種に多く見られるΔF508変異体の発現補正薬、lumacaftor やelexacaftor が、L441PおよびH1085Rをはじめとする日本人の変異体の安定発現に効果があることを明らかにしてきた。しかしながら、これらの変異点はお互いに大きく離れており、同じ補正薬が効果を示すメカニズムは不明である。しかしながら、これらの日本人変異もΔF508変異に似た不安定化やゆらぎの変化に深く関連した分子病態メカニズムを持っていると考えられる。今後は、これら日本人変異CFTRの発現補正薬および活性増強薬の研究を進めていく。

次年度使用額が生じた理由

分子動力学シミュレーションに関する共同作業を行なっていた研究分担者との作業の一部を、新型コロナウイルス感染症緊急事態宣言の影響によりオンラインで行なったため、本年度予算の一部を次年度に使用することにした。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) 学会発表 (3件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] University of Missouri - Columbia(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of Missouri - Columbia
  • [雑誌論文] 尿細管のイオン輸送調節におけるCFTRの役割2021

    • 著者名/発表者名
      相馬義郎、君島莉央、相馬光流
    • 雑誌名

      腎と透析

      巻: 90巻5号 ページ: 649 - 653

  • [学会発表] 日本人型嚢胞線維症H1085R-およびL441P-CFTR変異体に対する白人型病因性CFTR変異体発現促進薬の効果2021

    • 著者名/発表者名
      清水正浩、大川詩織、松澤由佳、金子すずな、深田侑希、直井佑太、成田和希、石塚柊太、小川亜美、小川未裕、大塚悠花、黒澤歩実、君島莉央、相馬光流、 中尾香菜子、相馬義郎
    • 学会等名
      2021年度 生理学研究所研究会「上皮膜輸送の多様性・調和機構を基盤とする異分野融合研究の創出」
  • [学会発表] 日本人H1085RおよびL441P-CFTR変異体に対するVertex発現増強薬の効果について2021

    • 著者名/発表者名
      清水正浩、大川詩織、松澤由佳、金子すずな、深田侑希、直井佑太、成田和希、石塚柊太、小川亜美、小川未裕、大塚悠花、黒澤歩実、君島莉央、相馬光流、中尾香菜子、相馬義郎
    • 学会等名
      第7回嚢胞性線維症情報交換会
  • [学会発表] Functional rescue for the second and third most frequent disease-associated CFTR mutants in Japanese CF patients by the therapeutic drug for Caucasian mutants2021

    • 著者名/発表者名
      Rio Kimishima, Hikaru Sohma, Masahiro Shimizu, Shiori Ohkawa, Yuka Matsuzawa, Suzuna Kaneko, Yuki Fukada, Kanako Wakabayashi- Nakao, Yoshiro Sohma
    • 学会等名
      第99回日本生理学会大会
  • [備考] 教員紹介 | 基礎医学研究センター | 国際医療福祉大学

    • URL

      https://www.iuhw.ac.jp/center/fundamental/list.html

  • [備考] 教員紹介 | 薬学部薬学科 | 国際医療福祉大学

    • URL

      https://otawara.iuhw.ac.jp/staff/yakugaku/4933.html

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公開日: 2022-12-28  

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