2019 Fiscal Year Annual Research Report
Uncovering the secrets of lipid-transporting ABC proteins
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18H05269
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
植田 和光 京都大学, 高等研究院, 特定教授 (10151789)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木村 泰久 京都大学, 農学研究科, 助教 (10415143)
笠井 倫志 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 助教 (20447949)
古寺 哲幸 金沢大学, ナノ生命科学研究所, 教授 (30584635)
中津 亨 京都大学, 薬学研究科, 准教授 (50293949)
木下 政人 京都大学, 農学研究科, 助教 (60263125)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | ABC蛋白質 / コレステロール / トランスポーター / 動脈硬化症 / ABCA1 / 細胞接着 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ABCA1は、細胞中の余剰なコレステロールをHDL(いわゆる善玉コレステロール)を産生することで取り除くことが主な生理的役割であり、それによって動脈硬化を防いでいると考えられてきた。しかし、ABCA1の機能にはいまだ多くの解明すべき謎が残されている。
令和元年度の研究では ABCA1の２つの機能であるHDL産生活性とコレステロールフロップ活性がどのように制御されているのかを明らかにするため、ABCA1のC末端領域に着目し、キメラ蛋白質の手法を用いて解析を行った。その結果、HDL産生活性を維持しながらコレステロールフロップ活性を欠損したキメラ蛋白質が得られたことから、ABCA1のC末端領域にHDL産生活性とコレステロールフロップ活性を制御するスイッチが存在することが明らかになった。さらに点変異体によって、スイッチに重要な領域を絞り込み、ロイシンジッパー様の配列が二つの活性のスイッチに重要であることを突き止めた(Okamoto BBB 2020)。
ABC蛋白質の輸送活性は輸送基質の濃度に相関する。細胞膜のコレステロール濃度を変化させた場合のABCA1の活性を評価したところ、HDL産生活性が細胞膜コレステロール濃度に依存して上昇することが明らかとなった。本結果はABCA1がコレステロールを輸送基質として認識していることを示している(投稿準備中)。
また、細胞接着の過程において細胞膜の内層と外層のコレステロール濃度を評価したところ、フィロポディアの先端部分で細胞膜内層のコレステロール濃度が低く、ABCA1もフィロポディア先端に局在することが明らかとなった。ABCA1はフィロポディア先端部でコレステロール濃度を低く保つことで、フィロポディアの形成を促進する可能性が示唆された(Kishimoto FASEB J 2020)。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究初年度にはABCA1が細胞膜中のコレステロール非対称性を維持していること、基質排出型ABC蛋白質と脂質をフロップするABC蛋白質は輸送後の構造が大きく異なることを示した。令和元年度の研究では細胞膜のコレステロール非対称性が細胞機能に与える影響について、フィロポディア形成にコレステロール非対称性が重要であることを明らかにするなど、新規の例を発見した(Kishimoto FASEB J 2020)。また、ABCA1と協調して細胞膜内層のコレステロールを低く維持する機構を発見し、全く新しい細胞内コレステロール濃度の調整機構を提唱する準備が整った。細胞膜の主要構成成分であるコレステロールの主な生理的役割は、細胞膜の物理的な補強とイオン透過性の抑制という静的なものと考えられてきた。しかし、本課題のこれまでの成果から、コレステロールが細胞膜中を垂直方向に移動することによって細胞機能を調節するという動的なものであることが明らかにできつつある。さらにABCA1がコレステロールの排出と膜内でのフロップ活性のスイッチがABCA1のC末端領域に存在することや(Okamoto BBB 2020)、ABC蛋白質の構造変化を生細胞上で解析する技術の開発に成功するなど(Futamata JBC 2020)、細胞や蛋白質レベルの研究が順当に進捗している。また、生体を用いた解析では繁殖やゲノム編集が容易であるメダカを用いた利点が発揮され、2年という短期間でありながらメダカのABCA1がヒトABCA1と同様の活性を持つことを確認し、ノックアウト個体の表現型解析に着手する等、当初の予想を超えて進展している。ほかにも高速AFMや超解像顕微鏡を用いたABC蛋白質の機能解析系が整備できつつあり、今後の展開が期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度の研究では、小胞体膜蛋白質がABCA1と協調的に働くことによって、細胞膜内層のコレステロール濃度を外層の10 分の１に抑え、コレステロールが細胞膜内シグナル分子として機能することを実現しているという新しい概念を示す。さらに、ABCA1のコレステロール排出活性とコレステロールフロップ活性をスイッチする機構の生化学的解析を引き続き推進する。さらに、分子レベルの解析として、高速AFMや超解像顕微鏡を用いた解析によりABCA1によるHDL形成反応を観察し、HDLが形成される様子を実際に捉える。また、クライオ電顕を用いたABCA1の構造研究を本格的に開始し、ABCA1の詳細な構造モデルの作成、及びコレステロールの輸送機構についてそのメカニズムを明らかにする計画である。生体を用いた解析ではメダカのノックアウト個体の解析を継続し、表現型を解析する。
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