Molecular mechanism of membrane proteins regulated by physical stimuli

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H06294
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 濡木 理 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10272460)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 耕一 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (10262073) ; MATURANA ANDRES 名古屋大学, 生命農学研究科, 准教授 (10452004) ; 加藤 英明 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (80805961)
• Project Period (FY): 2016-04-26 – 2021-03-31
• Keywords: 電子顕微鏡 / 生物物理 / 蛋白質 / Ｘ線

Outline of Annual Research Achievements

XFELを用いたChRの時分割シリアルフェムト秒結晶構造解析を行い，励起光照射した後1, 50, 250, 1000, 4000 マイクロ秒後における構造変化を明らかにした．その結果，膜貫通ヘリックス3番と7番の動きが観測されチャネルの開閉に重要なDCゲートのアミノ酸残基間の水素結合ネットワークを壊し，水分子の流入ひいてはチャネルを開状態へと遷移させることが明らかになった（eLife、2021）．音の増幅に働くヒト由来Prestinに関して熱安定化変異体を作製し，クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子解析により分解能3.2 Aでの構造決定に成功した．得られた構造からPrestinが電位依存的に陰イオンを感受してトランスポーター様の構造変化（2つの膜貫通ドメインの開閉）を起こし，これと同調して膜貫通ドメインの傾きが変化することで，モータータンパクとして膜に振動を与えることが示唆された（論文投稿中）．またマウス由来TRPV3を人工脂質二重層Nanodiscに再構成しクライオ電子顕微鏡単粒子解析により分解能3.3Aで構造決定に成功した．得られた構造から脂質によりゲートの開閉が制御されており熱で脂質が解離することでチャネルが開く新規のメカニズムを提唱した.（Nat.Struct.Mol.Bio.,2020）.さらに神経細胞や心臓の電気活動に必須の役割を果たす電位依存性カリウムチャネルKv4.2と2種類の制御サブユニットKChIP1/DPP6Sからなる巨大複合体の立体構造を，クライオ電子顕微鏡単粒子解析により明らかにした．その結果KChIP1とDPP6SがそれぞれKv4.2の膜貫通ヘリックス6番（チャネルポアの開閉制御を担うゲート）と膜貫通ヘリックス1及び2番と相互作用することで，Kv4.2の電気生理学的特性を適切に調整する機構が明らかになった（Nature,2021）.

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Structural basis for channel conduction in the pump-like channelrhodopsin ChRmine. (2022)
  • Author(s): Kishi, K.E.,et al.
  • Journal Title: Cell Volume: 185 Pages: 672-689
  • DOI: 10.1016/j.cell.2022.01.007
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cryo-EM reveals mechanistic insights into lipid-facilitated polyamine export by human ATP13A2. (2021)
  • Author(s): Tomita, A., Daiho, T., Kusakizako, T., Yamashita, K., Ogasawara, S., Murata, T., Nishizawa, T. and Nureki, O.
  • Journal Title: Mol. Cell Volume: 81 Pages: 4799-4809
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2021.11.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis of gating modulation of Kv4 channel complexes. (2021)
  • Author(s): Kise, Y., Kasuya, G., Okamoto, H. H., Yamanouchi, D., Kobayashi, K., Kusakizako, T., Nishizawa, T., Nakajo, K. and Nureki, O.
  • Journal Title: Nature Volume: 599 Pages: 158-164
  • DOI: 10.1038/s41586-021-03935-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cryo-EM structure of the human MT1-Gi signaling complex. (2021)
  • Author(s): Okamoto, H. H., Miyauchi, H., Inoue, A., Raimondi, F., Tsujimoto, H., Kusakizako, T., Shihoya, W., Yamashita, K., Suno, R., Nomura, N., Kobayashi, T., Iwata, S., Nishizawa, T. and Nureki, O.
  • Journal Title: Nat. Struct. Mol. Biol. Volume: 28 Pages: 694-701
  • DOI: 10.1038/s41594-021-00634-1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cryo-EM structure of the β3-adrenergic receptor reveals the molecular basis of subtype selectivity. (2021)
  • Author(s): Nagiri, C., Kobayashi, K., Tomita, A., Kato, M., Kobayashi, K., Yamashita, K., Nishizawa, T., Inoue, A., Shihoya, W. and Nureki, O.
  • Journal Title: Mol. Cell Volume: 81 Pages: 3205-3215
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2021.06.024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal structure of schizorhodopsin reveals mechanism of inward proton pumping. (2021)
  • Author(s): Higuchi, A., Shihoya, W., Konno, M., Ikuta, T., Kandori, H., Inoue, K. and Nureki, O.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. Volume: 118 Pages: 14
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2021.06.024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Time-resolved serial femtosecond crystallography reveals early structural changes in channelrhodopsin. (2021)
  • Author(s): Oda, K.,(46) Nureki, O.
  • Journal Title: eLife Volume: 10 Pages: e62389
  • DOI: 10.7554/eLife.62389
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural insights into the mechanism of rhodopsin phosphodiesterase. (2020)
  • Author(s): Ikuta, T., Shihoya, W., Sugiura, M., Yoshida, K., Watari, M., Tokano, T., Yamashita, K., Katayama, K., Tsunoda, S. P., Uchihashi, T., Kandori. H. and Nureki, O.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 11 Pages: 5605
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19376-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis for unique color tuning mechanism in heliorhodopsin. (2020)
  • Author(s): Tanaka, T., Singh, M., Shihoya, W., Yamashita, K., Kandori, H. and Nureki, O.
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Res. Commun. Volume: 533 Pages: 262-267
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.06.124
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cryo-EM structures of calcium homeostasis modulator channels in diverse oligomeric assemblies. (2020)
  • Author(s): Demura, K., Kusakizako, T., Shihoya, W., Hiraizumi, M., Nomura, K., Shimada, H., Yamashita, K., Nishizawa, T., Taruno, A. and Nureki, O.
  • Journal Title: Sci. Adv. Volume: 6 Pages: eaba8105
  • DOI: 10.1126/sciadv.aba8105
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The structure of lipid nanodisc-reconstituted TRPV3 reveals the gating mechanism. (2020)
  • Author(s): Shimada, H., Kusakizako, T., Nguyen, T. H. D., Nishizawa, T., Hino, T., Tominaga, M. and Nureki, O.
  • Journal Title: Nat. Struct. Mol. Biol. Volume: 27 Pages: 645-652
  • DOI: 10.1038/s41594-020-0439-z
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cryo-EM structure of the volume-regulated anion channel LRRC8D isoform identifies features important for substrate permeation. (2020)
  • Author(s): Nakamura, R., Numata, T., Kasuya, G., Yokoyama, T., Nishizawa, T., Kusakizako, T., Kato, T., Hagino, T., Dohmae, N., Inoue, M., Watanabe, K., Ichijo, H., Kikkawa, M., Shirouzu, M., Jentsch, T. J., Ishitani, R., Okada, Y. and Nureki, O.
  • Journal Title: Commun. Biol. Volume: 3 Pages: 240
  • DOI: 10.1038/s42003-020-0951-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural insights into tetraspanin CD9 function. (2020)
  • Author(s): Umeda, R., Satouh, Y., Takemoto, M., Nakada-Nakura, Y., Liu, K., Yokoyama, T., Shirouzu, M., Iwata, S., Nomura, N., Sato, K., Ikawa, M., Nishizawa, T. and Nureki, O.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 11 Pages: 1606
  • DOI: 10.1038/s41467-020-15459-7.
  • Peer Reviewed
• [Presentation] クライオ電子顕微鏡解析で見えてきた膜タンパク質の分子機構 (2021)
  • Author(s): 濡木理
  • Organizer: 横浜NMR研究会オンライン
• [Presentation] クライオ電子顕微鏡解析で見えてきた膜タンパク質の分子機構 (2020)
  • Author(s): 濡木理
  • Organizer: Science Cafe オンライン
• [Remarks] 濡木研究室HP
  • URL: http://www.nurekilab.net/index.php/ja?FrontPage