膜タンパク質のダイナミックな構造変化を解明

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クライオ電子顕微鏡、放射光での新しい生命現象の可視化

2018/04/17 理化学研究所

理化学研究所(理研)放射光科学研究センターイメージング開発チームの眞木さおり研究員、生体機構研究グループの米倉功治グループディレクターらの共同研究チームは、クライオ電子顕微鏡[1]を用いた単粒子解析法[2]と放射光を用いたX線結晶構造解析[3]を組み合わせ、細胞内に流れ込む水素イオンをエネルギーとしてさまざまな生命活動に利用する膜タンパク質[4]の3次元構造の決定に成功しました。これにより、膜タンパク質がダイナミックに構造を変化させることで活性化する新しい作動機構を発見しました。

このダイナミックな構造変化は、他の膜タンパク質でも機能の制御などに利用されている可能性が考えられます。同様の手法を用いて、さまざまなタンパク質などの生体分子の機能発現に伴う構造変化を解析することで、より詳細な作動機構の解明につながると期待できます。

今回、共同研究チームは、クライオ電子顕微鏡と放射光の両者を組み合わせ、膜タンパク質ExbB/ExbD複合体の構造解明に取り組みました。その結果、イオンの通り道が塞がった状態の5量体のリング状の構造が、6量体のリングに変化することで水素イオンの通り道が開き、イオンの流れを駆動力に利用できる状態へと変わることが分かりました。これまで、膜タンパク質のこのような大きな形態の変化は知られていません。また、ExbB/ExbD複合体の中央にあるサブユニットが回転することにより化学物質や栄養素の輸送に必要な力学的エネルギーが発生する可能性が示されました。ExbB/ExbDが関わる輸送系は抗生物質の輸送やウイルスの菌内への侵入にも利用されるため、細菌特異的に作用する薬の開発も期待できます。

本研究成果は、米国のオンライン科学雑誌『eLife』(4月17日付け)に掲載されます。

※共同研究グループ

理化学研究所 放射光科学研究センター

XFEL研究開発部門 ビームライン研究開発グループ イメージング開発チーム

研究員 眞木 さおり(まき さおり)

利用技術開拓研究部門 生体機構研究グループ

グループディレクター 米倉 功治(よねくら こうじ)

特別研究員(研究当時) 松岡 礼(まつおか れい)

特別研究員(研究当時) 山下 良樹(やました よしき)

パートタイマー(研究当時) 田中 麻衣子(たなか まいこ)

パートタイマー 岩蕗 文恵(いわぶき ふみえ)

福井大学 医学部

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