過酷な環境下でも利用可能な 堅牢性リン脂質マイクロチューブの開発に成功~細胞内を模倣した環境で膜結合たんぱく質のon tube定量解析を実現~

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2025-10-24 東京農工大学

東京農工大学などの研究チームは、過酷な環境下でも構造を保持する堅牢性リン脂質マイクロチューブ(PMT⁽ᴾᶜᵃᴸ⁾)の開発に成功した。独自設計のカチオン性ペプチド脂質PCaLをリン脂質膜上に集合させることで、酸性・塩基性・高温・高塩・高浸透圧といった極限条件でも安定構造を維持可能にした。PMT⁽ᴾᶜᵃᴸ⁾を膜結合タンパク質SNX1の足場として利用した結果、細胞内環境を模倣した条件下で膜との結合が強化されることを確認。これにより、光ピンセットなどを用いた膜結合タンパク質の“on-tube”定量解析が可能となった。本材料は、膜輸送やシグナル伝達を担うタンパク質の機能解明、神経変性疾患など膜異常関連病態の研究に新たな道を拓くと期待される。成果は『Journal of the American Chemical Society(JACS)』に掲載。

過酷な環境下でも利用可能な 堅牢性リン脂質マイクロチューブの開発に成功~細胞内を模倣した環境で膜結合たんぱく質のon tube定量解析を実現~
図1 (a) PCaLとAsp4の分子構造、(b) PCaLの集合により引き起こされる膜相分離とリン脂質マイクロチューブ(PMTPCaL)の形成の概略図。
DPPC/DOPC/Chol/PCaLからなる四成分膜にAsp4を添加すると、PCaLの集合化と共に膜相分離が誘導され、PMTPCaLが形成される。

<関連情報>

膜相分離法によって構築された構造的に強固なリン脂質マイクロチューブは、膜結合タンパク質のチューブ内特性評価のための足場として機能します A Structurally Robust Phospholipid Microtube Constructed by Membrane Phase Separation as a Scaffold for On-Tube Characterization of Membrane-Bound Proteins

Noriyuki Uchida,Ryu Ishizaka,Anju Kawakita,Hiroshi Ueno,Hiroyuki Noji,Rinshi S. Kasai,Takeshi Yokoyama,Saburo Kurihara,Tomoki Noguchi,Go Watanabe,Ayaka Iwasaki,Itsuki Ajioka,Kazuyoshi Muranishi,Ken Yoshizawa,Shingo Kanemura,Masaki Okumura,and Takahiro Muraoka
Journal of the American Chemical Society  Published: October 23, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c13384

Abstract

Artificial phospholipid assemblies, such as liposomes, have become indispensable scaffolds for the characterization of membrane proteins. Phospholipid microtubes (PMTs) are universal biological architectures, as seen in the endoplasmic reticulum and neurites, that are constructed by curvature-sensing membrane-bound proteins such as Bin/Amphiphysin/Rvs (BAR) proteins. Inspired by the biological PMTs, artificial PMTs have been constructed by physically pulling the membranes using optical tweezers or kinesin motors. However, the inherent low stability of artificial PMTs, which collapse after the removal of the energy source, has critically limited their applications as scaffolds. Here, we report the construction of structurally robust PMTs as practically useful scaffolds for on-tube characterization of membrane-bound proteins. We focused on a membrane deformation driven by phase separation between saturated and unsaturated phospholipids. We developed a polycationic peptide lipid (PCaL) that dissociates the phase separation. Interestingly, complexation of PCaL with an anionic ligand prompted the spontaneous formation of phospholipid microtubes (PMTPCaL). Importantly, PMTPCaL exhibited high robustness against harsh physical stresses, including increased temperatures, increased salt concentrations, osmotic stress, physical pulling using optical tweezers, and molecular crowding. Taking advantage of the high structural stability, PMTPCaL was utilized as a scaffold for on-tube characterization of a curvature-sensing membrane-bound protein. We revealed that sorting nexin-1 enhances its binding property with a tubular membrane under highly crowded cell-mimicking conditions relative to noncrowding conditions.

細胞遺伝子工学
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