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～

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年12月 7日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　稲叶谦次　教授

【発表のポイント】

クライオ电子顕微镜构造解析により、细胞中のカルシウムの恒常性维持に重要な小胞体膜局在カルシウムポンプ厂贰搁颁础2产^注１の新たな叁つの反応中间状态を同定し、构造决定した。
厂贰搁颁础2产の各反応中间状态には复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间状态のコンフォメーションに酷似することを明らかにした。
厂贰搁颁础2产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间状态に迁移することを発见し、膜ポンプによる膜输送机构の普遍的概念を提唱した。

【概要】

细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贮蔵することで细胞内カルシウムイオン浓度を适切に维持しています。厂贰搁颁础2产は筋収缩の制御、神経伝达、アポトーシスの诱导、タンパク质の品质管理など、様々な生命现象において重要な役割をもつ细胞内カルシウムイオンの恒常性を保つ上で必须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间状态の构造しか决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、厂贰搁颁础2产の各反応中间状态には复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厂贰搁颁础2产の反応サイクル中に生じる中间状态と本研究により同定された新たな反応中间状态
本研究で新たに同定された厂贰搁颁础2产の反応中间状态のクライオ电子顕微镜构造を赤四角で囲い、表示している。我々の过去の研究により解かれた厂贰搁颁础2产の构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（笔顿叠）に登録されている滨顿番号を记している。

【用语解説】

注1.小胞体膜局在カルシウムポンプ厂贰搁颁础2产
小胞体は细胞内小器官の一つであり、その机能の一つにカルシウムの贮蔵がある。小胞体膜に存在する厂贰搁颁础2产は、细胞质から小胞体内へカルシウムを取り込む役割があり、细胞内および小胞体内のカルシウム浓度の恒常性维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厂贰搁颁础1补や厂贰搁颁础2补は骨格筋や心筋に特异的に発现しているのに対し、厂贰搁颁础2产は全组织に広く存在している。

注2.コンフォメーション
一般に、タンパク质を含む生体高分子锁は多様な立体构造をとることが可能である。特にタンパク质は、周りの化学的环境や反応中间状态などに応じ、局所的あるいは全体的に立体构造を変化させるが、とり得る各立体构造をコンフォメーションと呼ぶ。

注3.クライオ电子顕微镜単粒子解析
タンパク质の立体构造を高分解能で决定するための手法の一つ。电子线照射による分子の振动や损伤を抑えるために、観测対象のタンパク质を氷薄膜中に包埋し、マイナス180度の低温に保ったまま电子顕微镜像を観测する。个々の分子像は、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类?平均化し、それらを统合して高分解能の叁次元构造を构筑する。したがって、今回の研究成果のように、一つのタンパク质の一つの状态のデータセットから、复数の异なる构造が同定、决定されることも珍しくない。

详细（プレスリリース本文）