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2011 年度 実施状況報告書

熱力学的考察に基づくプロトン共役薬物トランスポーターの基質親和性制御機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 23790060
研究機関松山大学

研究代表者

下野 和実  松山大学, 薬学部, 助教 (30415187)

研究期間 (年度) 2011-04-28 – 2014-03-31
キーワード等温滴定型熱量計 / 薬物輸送 / 分子認識 / 相互作用エネルギー / alternative access model
研究概要

本研究は,プロトン共役薬物トランスポーターにおいて,基質輸送の本質である"基質の結合親和性の制御機構"を熱力学的観点から解明することを目的とする.本年度は,プロトン/オリゴペプチド共輸送系である大腸菌由来 YdgR の大量発現精製法の確立を行った.さらに外部 pH が YdgR/基質相互作用に及ぼす影響を等温滴定型熱量計(ITC)を用いて検討した.YdgR の大量発現精製法の確立・・・YdgR は,pET システムと OvernightExpress (Novagen) を用いることにより,1 L 大腸菌培養液から ~1 mg の精製 YdgR を得ることができた.等温滴定型熱量計(ITC)による YdgR 基質相互作用の測定・・・基質結合に伴うタンパク質内外のプロトン移動および真の結合反応熱を検討するため,緩衝液成分を変えた測定を行った結果,pH 6.0 では,基質結合に伴いプロトンが取り込まれることが示唆された.pH 7.0 でも同様の測定を行った結果,プロトン取り込みに関与するアミノ酸残基の pKa は,6.3 と予想された.緩衝液成分のイオン化熱を考慮することにより Val-Ala の YdgR に対する真の結合反応熱が算出でき,その相互作用は,pH 6.0 および 7.0 ともに少なくとも界面活性剤中ではエントロピー駆動型であり,脱水和の寄与またはコンフォメーションの多様性が大きいことが明らかとなった.pH の増加に伴い,結合親和性は増大し,またエントロピーの効果が小さくなった.このことから酸性では,Inward-facing の Closed state に,アルカリ性では,Outward-facing Open state に結合すると推察される.この結果は,対向輸送と逆であり輸送方向決定に関与している可能性がある.

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

当初の計画では,YdgR の大量試料調製法,等温滴定型熱量測定法の確立に時間を要すると考えられ,プロトン共輸送と対向輸送の比較は平成24年度以降に行う予定であった.しかし,大量試料調製法の確立が予想以上に進展したため,計画を早めることができた.対向輸送系である EmrE の測定系も既に確立しているため,次年度以降,プロトン共輸送と対向輸送の熱力学的特徴に関して進展が望める.しかし本年度は,YdgR の熱力学的考察に時間を費やすこととなったため,EmrE の変異体による解析が進展していないことから,(2)おおむね順調に進展していると自己評価した.

今後の研究の推進方策

本研究は,プロトン共役薬物トランスポーターの基質結合親和性の制御機構を熱力学的観点から解明し,プロトン対向輸送系と共輸送系の基質認識,輸送機構について相違点を明らかにすることを目的とする.初年度に両者のモデルタンパク質,EmrE と YdgR の等温滴定型熱量計による測定系の確立に成功した.次年度以降は,様々な基質や測定条件(外部 pH や緩衝液成分)および変異体による解析を推進し,より詳細な議論を可能にする.またプロトン輸送の経時測定系を確立し,熱力学パラメーター変化と薬物輸送サイクルとの関連を議論する.

次年度の研究費の使用計画

本年度は,当初の計画を早め平成24年度実施予定であった YdgR の熱量測定を行ったため EmrE 変異体の測定は,実施しなかった.このため EmrE 試料調製に必要な無細胞タンパク質合成に関連する消耗品費を必要としなかったため,当該研究費が生じた.次年度では,EmrE と YdgR の両者を対象に研究を進めるため,無細胞タンパク質合成に必要な試薬に加え,YdgR 試料調製に必要な大腸菌発現用試薬も必要となる.また種々の基質の購入や変異体作製のための遺伝子工学試薬も必要となる.さらに消耗品費の大部分は,EmrE, YdgR 試料調製にともに必須である高価な界面活性剤ドデシルマルトシドおよびカラム担体の購入費に充てる.

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (6件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Photochemistry of Acetabularia Rhodopsin II from a Marine Plant, Acetabularia acetabulum2011

    • 著者名/発表者名
      Kikukawa, T., Shimono, K., Tamogami, J., Miyauchi, S., Kim, S.Y., Kimura-Someya,T., Shirouzu, M., Jung, K.-H., Yokoyama, S., Kamo, N
    • 雑誌名

      Biochemistry

      巻: 50 ページ: 8888-8898

    • DOI

      10.1021/bi2009932

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Crystal structure of the eukaryotic light-driven proton pumping rhodopsin, Acetabularia rhodopsin II from marine alga2011

    • 著者名/発表者名
      Wada, T., Shimono, K., Kikukawa, T., Hato, M., Shinya, N., Kim, S.Y., Kimura-Someya,T., Shirouzu, M., Tamogami, J., Miyauchi, S., Jung, K.-H., Kamo, N., Yokoyama, S
    • 雑誌名

      Journal of Molecular Biology

      巻: 411 ページ: 996-998

    • DOI

      10.1016/j.jmb.2011.06.028

    • 査読あり
  • [学会発表] 無細胞タンパク質合成技術を利用した膜タンパク質の構造・機能解析2012

    • 著者名/発表者名
      下野和実
    • 学会等名
      よこはまNMR構造生物学研究会第44回ワークショップ(招待講演)
    • 発表場所
      横浜
    • 年月日
      2012年3月14日
  • [学会発表] 等温滴定型熱量計を用いた大腸菌由来 H+/オリゴペプチド共輸送担体(YdgR)の基質結合の熱力学的解析2011

    • 著者名/発表者名
      下野和実,浅倉祐未,宮内正二
    • 学会等名
      第6回トランスポーター研究会
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2011年6月11日
  • [学会発表] 膜タンパク質の構造・機能研究を加速する無細胞タンパク質合成技術2011

    • 著者名/発表者名
      下野和実
    • 学会等名
      東邦大学薬学部特別講演(招待講演)
    • 発表場所
      船橋,千葉
    • 年月日
      2011年12月21日
  • [学会発表] Na+/モノカルボン酸共輸送担体 (SMCT) を介して体内に蓄積する毒性化合物に対する解毒剤の検討2011

    • 著者名/発表者名
      下野和実,上野裕美,駄場崎泰洋,加茂直樹,宮内正二
    • 学会等名
      第50回日本薬学会・日本薬剤師会・日本病院薬剤師会中国四国支部学術大会
    • 発表場所
      高松
    • 年月日
      2011年11月12日
  • [学会発表] 調製困難なロドプシン類の機能的大量合成法2011

    • 著者名/発表者名
      下野和実
    • 学会等名
      特定領域研究「高次系分子科学」第12回公開ミニシンポジウム「光受容タンパク質」(招待講演)
    • 発表場所
      蒲郡,愛知
    • 年月日
      2011年10月26日
  • [学会発表] 等温滴定型熱量計による大腸菌由来プロトン/オリゴペプチド共輸送担体と基質との相互作用解析2011

    • 著者名/発表者名
      下野和実,浅倉祐未,宮内正二
    • 学会等名
      第33回生体膜と薬物の相互作用シンポジウム
    • 発表場所
      岡山
    • 年月日
      2011-11-25
  • [図書] Molecular Photochemistry - Various Aspects (Book edited by Dr. Satyen Saha) Chapter 5 "Photo-induced proton transfers of microbial rhodopsins."2012

    • 著者名/発表者名
      Kikukawa, T., Tamogami, J., Shimono, K., Demura, M., Nara, T., Kamo, N.
    • 総ページ数
      89-108
    • 出版者
      Intech

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公開日: 2013-07-10  

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