ＫｃｓＡカリウムチャネルｐＨ依存性ゲーティングダイナミクスの一分子構造機能解析

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23370067
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 福井大学
• 研究代表者: 老木 成稔 福井大学, 医学部, 教授 (10185176)
• 研究分担者: 清水 啓史 福井大学, 医学部, 講師 (50324158) ; 岩本 真幸 福井大学, 医学部, 助教 (40452122)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: イオンチャネル / ゲーティング / 構造変化 / 膜内構造 / 集合・離散

研究概要

pH依存性カリウムチャネルであるKcsAのゲーティング構造変化を捉えるために回折Ｘ線追跡法のハードウェアの面からを改良し、毎秒5000フレームの高速記録が可能になった。従来の定常状態でのDXT測定では観察されるねじれの向きとゲーティングの関係が分からなかった。pHジャンプすることにより、たとえば酸性ジャンプであれば開遷移だけが捉えられる。このようなアイデアで実験を行うためのpHジャンプ系を確立し、ゲーティングの過渡的応答を高解像度で捉えることに成功した。またpH依存性のゲーティング開口過程に際し、膜に埋め込まれた状態のチャネルが長軸方向の長さを短縮することを原子間力顕微鏡により明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] Gating-associated clustering-dispersion dynamics of the KcsA potassium channel in a lipid membrane (2014)
  • 著者名/発表者名: Sumino, A., Yamamoto, D., Iwamoto, M., Dewa, T., and Oiki, S.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett 巻: 5 ページ: 578-584
  • DOI: 10.1016/j.molliq.2014.03.050
• [雑誌論文] The "ambivalent" snug-fit sites in the KcsA potassium channel probed by "3D-RISM microscopy" (2014)
  • 著者名/発表者名: Phongphanphanee, S., Yoshida, N., Oiki, S. and Hirata, F
  • 雑誌名: Pure and Applied Chemistry 巻: 86 ページ: 97-104
  • DOI: 10.1515/pac-2014-5018
• [雑誌論文] Paradoxical one-ion pore behavior of a long β-helical peptide of marine cytotoxic polytheonamide B (2014)
  • 著者名/発表者名: Iwamoto, M., Matsunaga, S. and Oiki, S
  • 雑誌名: Sci. Rep 巻: 4 ページ: 3636 (1-7)
• [雑誌論文] The synergic modeling for the binding of fluoroquinolone antibiotics to the hERG potassium channel (2013)
  • 著者名/発表者名: Ryu, S., Imai, Y.N., S. Oiki
  • 雑誌名: Bioorg. Med. Chem. Lett 巻: 23 ページ: 3848-3851
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2013.04.074
• [雑誌論文] Structural changes of the KcsA potassium channel upon application of the electrode potential studied by surface-enhanced IR absorption spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Yamakata, A., Shimizu, H., Osawa, M. and Oiki, S
  • 雑誌名: Chemical Physics 巻: 419 ページ: 224-228
• [雑誌論文] Biased Brownian Stepping Rotation of F oF1-ATP Synthase Driven by Proton Motive Force (2013)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, R., Tabata, K.V., Iino, R., Ueno, H., Iwamoto, M., Oiki, S. and Noji, H
  • 雑誌名: Nature Commun 巻: 4 ページ: 1631
  • DOI: 10.1038/ncomms2631
• [雑誌論文] The Open Gate Structure of the Membrane-Embedded KcsA Potassium Channel Viewed From the Cytoplasmic Side (2013)
  • 著者名/発表者名: Sumino, A., Sumikama, T., Iwamoto, M., Dewa, T., and Oiki, S
  • 雑誌名: Sci. Rep 巻: 3 ページ: 1063 (1-7)
  • DOI: 10.1038/srep01063
• [雑誌論文] The amphipathic antenna of an inward rectifier K+ channel responds to changes in the inner membrane leaflet (2013)
  • 著者名/発表者名: Iwamoto, M.. and S. Oiki
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 110 ページ: 749-754
  • DOI: 10.1073/pnas.1217323110
• [雑誌論文] ATR-FTIR Spectroscopy Revealed the Different Vibrational Modes of the Selectivity Filter Interacting with K+ and Na+ in the Open and Collapsed Conformations of the KcsA Potassium Channel (2012)
  • 著者名/発表者名: Furutani, Y., Shimizu, H., Asai, Y., Fukuda, T., Oiki, S. and Kandori, H
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett 巻: 3 ページ: 3806-3810
  • DOI: 10.1021/jz301721f
• [雑誌論文] Functional Equilibrium of the KcsA Structure Revealed by NMR (2012)
  • 著者名/発表者名: Imai, S., Osawa, M., Mita, K., Toyonaga, S., Machiyama, A., Ueda, T., Takeuchi, K., Oiki, S. and Shimada, I
  • 雑誌名: J. Biol. Chem 巻: 287 ページ: 39634-39641
  • DOI: 10.1074/jbc.M112.401265
• [雑誌論文] イオンチャネルタンパク質の構造変化を追う (2011)
  • 著者名/発表者名: 老木成稔
  • 雑誌名: パリティ 巻: 26 (2) ページ: 52-56
• [雑誌論文] Single-Molecular Gating Dynamics for The KcsA Potassium Channel. Editors : T. Komatsuzaki, M. Kawakami, S. Takahashi, H. Yang, R. J. Silbey, "Single-Molecule Biophysics: Experiment and Theory", Series editors : S. A. Rice & A.R. Dinner (2011)
  • 著者名/発表者名: Oiki, S., H. Shimizu, M. Iwamoto and T. Konno
  • 雑誌名: Adv. Chem. Phys 巻: 146 ページ: 147-193
  • DOI: 10.1002/9781118131374.ch7
• [雑誌論文] Dynamic structure of the polytheonamide B channel studied by normal mode analysis (2011)
  • 著者名/発表者名: Mori, T., Kokubo, H., Oiki, S. and Okamoto Y
  • 雑誌名: Molec. Sim 巻: 37 ページ: 975-985
  • DOI: 10.1080/08927022.2011.561433
• [雑誌論文] Counting Ion and Water Molecules in A Streaming File through the Open-Filter Structure of A K Channel (2011)
  • 著者名/発表者名: Iwamoto, M.. and S. Oiki
  • 雑誌名: J. Neuroscience 巻: 31 ページ: 12180-12188
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1377-11.2011
• [雑誌論文] Oriented reconstitution of a membrane protein in vesicles with asymmetric lipid compositions : Experimental verification with the potassium channel KcsA (2011)
  • 著者名/発表者名: Yanagisawa, M., M. Iwamoto, A. Kato, K. Yoshikawa, and S. Oiki
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc 巻: 133 ページ: 11774-11779
  • DOI: 10.1021/ja2040859
• [雑誌論文] Cycle Flux Algebra for Ion and Water Flux through the KcsA Channel Single-file Pore Links Microscopic Trajectories and Macroscopic Observables (2011)
  • 著者名/発表者名: Oiki, S., M. Iwamoto, T. Sumikama
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 6 ページ: e16578 (1-13)
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0016578
• [学会発表] チャネル機能の再構成と再生 : ポスト結晶時代の単一チャネル研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 老木成稔
  • 学会等名: 第91回日本生理学会大会
  • 発表場所: 鹿児島大学(鹿児島市)
  • 年月日: 20140316-18
• [学会発表] 膜脂質組成がKcsAカリウムチャネルの不活性化ゲート開閉に及ぼす影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 岩本真幸・ 老木成稔
  • 学会等名: 第91回日本生理学会大会
  • 発表場所: 鹿児島大学(鹿児島市)
  • 年月日: 20140316-18
• [学会発表] ポリセオナミドBチャネルのプロトン透過 : 単一チャネル電流記録とプロトン透過モデル (2014)
  • 著者名/発表者名: 松木悠佳・ 岩本真幸・ 松永茂樹・ 老木成稔
  • 学会等名: 第91回日本生理学会大会
  • 発表場所: 鹿児島大学(鹿児島市)
  • 年月日: 20140316-18
• [学会発表] カリウムイオンチャネルKasAのゲート開閉と連動した膜中集合・離散挙動 : 原子間力顕微鏡による直接観察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 角野歩・ 山本大輔・ 岩本真幸・ 出羽毅久・老木成稔
  • 学会等名: 第91回日本生理学会大会
  • 発表場所: 鹿児島大学(鹿児島市)
  • 年月日: 20140316-18
• [学会発表] チャネル蛋白質と水動態 (2014)
  • 著者名/発表者名: 老木成稔
  • 学会等名: 研究会「水シグナリングの分子動態から病態へ」
  • 発表場所: 福井市地域交流プラザAossa(福井市)
  • 年月日: 20140305-06
• [学会発表] Membrane lipids modulate the inactivation gating of the KcsA potassium channel (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Iwamoto, S. Oiki
  • 学会等名: Biophysical Society 58th Annual Meeting
  • 発表場所: San Francisco, Moscone Center (San Francisco, California, USA)
  • 年月日: 20140215-19
• [学会発表] Hydrophobic Cavity in the Potassium Channels : Anomalous Nanospace Controlling Ion Condition (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Sumimaka, S. Saito, S. Oiki
  • 学会等名: 3rd International Conference on Molecular Sumilation
  • 発表場所: Kobe International Conference Center(神戸市)
  • 年月日: 20131118-20
• [学会発表] Pdependency of ion permeation pattern on K+ concentration through the Kv1.2 channel (2013)
  • 著者名/発表者名: T.Sumikama, S.Saito, S.Oiki
  • 学会等名: Biophysical Society 57th Annual Meeting
  • 発表場所: Baltimore, Maryland(USA)
  • 年月日: 20130202-03
• [学会発表] The sensing sites for the mambrane inner lipids regulate the activation gating of the KcsA potassium channel (2013)
  • 著者名/発表者名: M.Iwamoto, S.Oiki
  • 学会等名: Biophysical Society 57th Annual Meeting
  • 発表場所: Baltimore, Maryland(USA)
  • 年月日: 20130202-03
• [学会発表] MEMBRANE LIPID-SENSITIVE GATING OF THE KcsA POTASSIUM CHANNEL (2012)
  • 著者名/発表者名: S.Oiki, M.Iwamoto
  • 学会等名: 揺らぎが機能を決める生命分子の科学公開シンポジウム
  • 発表場所: 京都テルサ(京都市)
  • 年月日: 20121205-06
• [学会発表] Development of diffracted X-ray tracking method for measuring gationg transitions of the KcsA potassium channeles in a sub-millisecound time resolution (2012)
  • 著者名/発表者名: H.Shimizu, M.Iwamoto, T.Konno, A.Royant, V , D, Stetten, L.Guerin, M.Wolff, S.Oiki
  • 学会等名: 第89回日本生理学会
  • 発表場所: 長野県松本文化会館(松本市)
  • 年月日: 20120329-31
• [学会発表] Laser-Triggered Single Molecular Gating Motions of the KcsA Potassium Channels Recorded in a Sub-Millisecond Time Resolution (2012)
  • 著者名/発表者名: H.Shimizu, M.Iwamoto, T.Konno, A.Royant, S.Von, David, G.Laurent, M.Wulff, S.Oiki
  • 学会等名: Biophysical Society 56th Annual Meeting
  • 発表場所: Philadelphia, Pennsylvania(USA)
  • 年月日: 20120202-06
• [学会発表] Role of central cavity in Ion permeation through the KV1.2Channel (2012)
  • 著者名/発表者名: Takashi Sumikama, S, Saito, S.Oiki
  • 学会等名: Biophysical Society 56th Annual Meeting
  • 発表場所: Philadelphia, Pennsylvania(USA)
  • 年月日: 20120202-06
• [学会発表] The asymmetric lipid bilayer revealed sidedness of the effective phospholipids on the single-channel properties of the KcsA potassium channel (2012)
  • 著者名/発表者名: M.Iwamoto, S.Oiki
  • 学会等名: Biophysical Society 56th Annual Meeting
  • 発表場所: Philadelphia, Pennsylvania(USA)
  • 年月日: 20120202-06
• [学会発表] Envisioning the Ion Permeation Process through the KcsA Potassium Channel Using the Cycle Flux Algebra (2012)
  • 著者名/発表者名: M.Iwamoto, S.Oiki
  • 学会等名: 揺らぎが機能を決める生命分子の科学第5回公開シンポジウム
  • 発表場所: 東大寺総合文化センター(奈良市)
  • 年月日: 20120107-08
• [図書] イオン透過装置 : イオンチャネル, 野地博行編, 化学フロンティア23「1分子ナノバイオ科学の新パラダイム～極限計測と理論, 分子からシステムへ」 (2014)
  • 著者名/発表者名: 老木成稔
  • 出版者: 化学同人(印刷中)
• [図書] イオンチャネル : チャネルとその機能をつなぐ膜寺嶋正秀編『揺らぎ・ダイナミクスと生体機能-物理化学的視点から見た生体分子-』 (2013)
  • 著者名/発表者名: 老木成稔
  • 総ページ数: 347(253-266)
  • 出版者: 化学同人
• [図書] Gating Dynamics of the Potassium Channel Pore. Comprehensive Biophysics. Edward Egelman Ed. Volume 6. Channel Proteins, Mauricio Montal Ed. Oxford (2012)
  • 著者名/発表者名: Oiki, S
  • 総ページ数: 245(31-67)
  • 出版者: Academic Press
• [図書] "Chapter 16. Planar Lipid Bilayer Method for Studying Channel Molecules." Y. Okada Ed. Patch Clamp Techniques : From Beginning to Advanced Protocols (2012)
  • 著者名/発表者名: Oiki, S
  • 総ページ数: 439(229-275)
  • 出版者: Springer Protocols Handbooks. Springer-Verlag
• [図書] "Chapter 1. Prologue : The Ion Channel." Y. Okada Ed. Patch Clamp Techniques : From Beginning to Advanced Protocols (2012)
  • 著者名/発表者名: Kukita, F. and S. Oiki
  • 総ページ数: 439(1-19)
  • 出版者: Springer Protocols Handbooks. Springer-Verlag
• [図書] 序論 :イオンチャネル.「新パッチクランプ実験技術法」(岡田泰伸編) (2011)
  • 著者名/発表者名: 久木田文夫, 老木成稔
  • 総ページ数: 274(7-18)
  • 出版者: 吉岡書店
• [図書] チャネル研究のための脂質平面膜法「新パッチクランプ実験技術法」(岡田泰伸編) (2011)
  • 著者名/発表者名: 老木成稔
  • 総ページ数: 274(153-183)
  • 出版者: 吉岡書店
• [備考] 老木成稔 : イオンチャネルの動的構造と分子機構解明のための1分子研究. 科研費NEWS2013年度Vol.2, 17, 2013.
• [備考] 日本生理学会サイエンストピックスNo. 82岩本真幸(老木成稔) : K+チャネルが細胞膜の脂質の環境を感じ取り活性を制御する機構の解明
• [備考] 日本生理学会サイエンストピックスNo. 92角野歩(老木成稔) : カリウムチャネルKcsAのゲート開閉と連動した膜中集合・離散ダイナミクス
• [産業財産権] 脂質平面膜を形成するための貫通孔を有するガラス基板, およびその製造方法と用途 (2013)
  • 発明者名: 老木成稔・ 岩本真幸
  • 権利者名: 老木成稔・ 岩本真幸
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願 2013-1 55692号
  • 出願年月日: 2013-07-26
• [産業財産権] 生体組織に範をとったエネルギー・情報生成膜システム (2011)
  • 発明者名: 老木成稔・ 岩本真幸
  • 権利者名: 老木成稔・ 岩本真幸
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2011-245986号
  • 出願年月日: 2011-11-09
• [産業財産権] 変異型HERGチャネル発現細胞およびその用途 (2011)
  • 発明者名: 柳承希・ 明貝俊彦・ 今井友美・ 老木成稔
  • 権利者名: 国立大学法人福井大学・ 武田薬品工業株式会社
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願 2005- 269153号
  • 取得年月日: 2011-09-22
• [産業財産権] シス-トランス液流方式によるイオンチャネル解析方法と, その方法に使用するイオンチャネル解析装置 (2010)
  • 発明者名: 老木成稔・ 山内紀宏・ 坪田圭介
  • 権利者名: 老木成稔・轟産業株式会社
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願 2004- 153209号
  • 取得年月日: 2010-05-21