膜ポンプによる膜輸送機構の普遍的概念の提唱～クライオ電子顕微鏡によるヒト由来カルシウムポンプの新たな反応中間状態の同定と構造決定～

2022-12-07

2022-12-07 東北大学

【本学研究者情報】
〇多元物質科学研究所　稲葉謙次　教授

【発表のポイント】

クライオ電子顕微鏡構造解析により、細胞中のカルシウムの恒常性維持に重要な小胞体膜局在カルシウムポンプSERCA2b^注1の新たな三つの反応中間状態を同定し、構造決定した。
SERCA2bの各反応中間状態には複数のコンフォメーション^注2が存在し、その一つは次の反応中間状態のコンフォメーションに酷似することを明らかにした。
SERCA2bがコンフォメーションをオーバーラップさせながら次の反応中間状態に遷移することを発見し、膜ポンプによる膜輸送機構の普遍的概念を提唱した。

【概要】
細胞内小器官の一つである小胞体は、カルシウムを取り込み貯蔵することで細胞内カルシウムイオン濃度を適切に維持しています。SERCA2bは筋収縮の制御、神経伝達、アポトーシスの誘導、タンパク質の品質管理など、様々な生命現象において重要な役割をもつ細胞内カルシウムイオンの恒常性を保つ上で必須の小胞体膜局在カルシウムポンプです。しかし、これまでは一部の反応中間状態の構造しか決定されていませんでした。

東北大学多元物質科学研究所の張玉霞前助教、蔡笑寒博士課程学生、渡部聡　助教、稲葉謙次教授(生命科学研究科、理学研究科化学専攻兼担)、理化学研究所計算科学研究センターの小林千草技師、同開拓研究本部杉田有治主任研究員(計算科学研究センターチームリーダー兼任)、および東京大学大学院医学系研究科の包明久前特任助教、吉川雅英教授らを中心とした共同研究グループは、SERCA2bの新たな反応中間状態の高分解能構造を、クライオ電子顕微鏡単粒子解析^注3という技術を用いて決定しました。詳細な構造解析の結果、SERCA2bの各反応中間状態には複数のコンフォメーションが存在し、それぞれが互いにオーバーラップさせながら反応中間状態の間を遷移するという新たなメカニズムを発見しました。このメカニズムはSERCA2bに限らず、他の膜ポンプや酵素においても普遍的に働いている可能性が考えられます。

本研究成果は、2022年12月6日11時(米国東部時間)に米国雑誌Cell Reportsオンライン版に掲載されます。

図1　ヒト由来小胞体カルシウムポンプSERCA2bの反応サイクル中に生じる中間状態と本研究により同定された新たな反応中間状態
本研究で新たに同定されたSERCA2bの反応中間状態のクライオ電子顕微鏡構造を赤四角で囲い、表示している。我々の過去の研究により解かれたSERCA2bの構造についてはリボン表示し、図の下にプロテインデータバンク(PDB)に登録されているID番号を記している。

【用語解説】
注1.小胞体膜局在カルシウムポンプSERCA2b
小胞体は細胞内小器官の一つであり、その機能の一つにカルシウムの貯蔵がある。小胞体膜に存在するSERCA2bは、細胞質から小胞体内へカルシウムを取り込む役割があり、細胞内および小胞体内のカルシウム濃度の恒常性維持において中心的役割を担う膜ポンプである。他のアイソフォームであるSERCA1aやSERCA2aは骨格筋や心筋に特異的に発現しているのに対し、SERCA2bは全組織に広く存在している。

注2.コンフォメーション
一般に、タンパク質を含む生体高分子鎖は多様な立体構造をとることが可能である。特にタンパク質は、周りの化学的環境や反応中間状態などに応じ、局所的あるいは全体的に立体構造を変化させるが、とり得る各立体構造をコンフォメーションと呼ぶ。

注3.クライオ電子顕微鏡単粒子解析
タンパク質の立体構造を高分解能で決定するための手法の一つ。電子線照射による分子の振動や損傷を抑えるために、観測対象のタンパク質を氷薄膜中に包埋し、マイナス180度の低温に保ったまま電子顕微鏡像を観測する。個々の分子像は、様々な向きで氷薄膜に包埋された分子の投影像であり、数十万から数百万分子の投影像を分類・平均化し、それらを統合して高分解能の三次元構造を構築する。したがって、今回の研究成果のように、一つのタンパク質の一つの状態のデータセットから、複数の異なる構造が同定、決定されることも珍しくない。

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