IP3R

IP3受容体は神経細胞内の小胞膜に存在するイオンチャンネルである。その役割は小胞内に存在するCaイオンの放出を制御することである。我々の細胞内ではCaイオン濃度は通常、厳密に低い濃度に抑えられており、この小胞から放出されるCaイオンは細胞の様々な活動を制御し、その影響は我々の高次機能にも及んでいる。そのため、IP3受容体チャンネルは生体の活動にとって重要である。さらには、神経可塑性にも重要な役割を果たすことも示唆されている。このチャンネルは、その細胞質側にIP3とCaの両方が結合すると、開いてCaを通す。しかしその構造とそれに基づく開閉機構は、明らかにされていなかった。我々は御子柴克彦教授(理研・東大)、藤吉好則教授(京大)等のグループと共同で、He ステージクライオ電子顕微鏡による10万枚の粒子像を基に15Å分解能でその構造を解明した。外形は、表面に多くの孔を持つ気球状である。その内部にはさらに、パイプ状の構造が膜貫通部位から気球上部へ続いていた。Naチャンネルと基本的に共通した2層よりなる構造をしていることがNa channel reconstructionわかる。しかし、内核の中心にはNaチャンネルと異なり明確な長い孔が存在する。この内部パイプはイオンの通路と思われ、パイプの中間にもイオンが放出される切れ目が存在していた。そのためパイプから放出されたCaイオンは気球構造表面の多くの穴から四方八方へ放出されると思われる。これはイオン放出孔が細胞膜直下に細胞膜と平行に向いて、イオンを膜直下に流し出すNaチャンネルの構造と対照的である。IP3受容体はCaイオンを広く様々な方向に散らばらせる仕組みを持つと思われ、そのことにより細胞質の様々な部位に情報を伝搬させるのに好都合なのであろう。図では、IP3受容ドメインのみであればX線構造解析が可能であったため、その部分構造を本構造に当てはめた。当てはめるにあたってはドメインにおけるへリックス間角度を変化させる必要があり、それの変化がIP3の結合によってもたらされると推定された。


Abstract from: Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Jan 27

 

Inositol 1,4,5-trisphosphate Receptor Contains Multiple Cavities and L-shaped Ligand-binding Domains

Chikara Sato(1), Kozo Hamada(2, 6), Toshihiko Ogura(1), Atsuo Miyazawa(3), Kenji Iwasaki(4), Yoko Hiroaki(5), Kazutoshi Tani(5), Akiko Terauchi(6), Yoshinori Fujiyoshi(3, 5, 7), and Katsuhiko Mikoshiba(2, 6, 8)

(1) Neuroscience Research Institute and Biological Information Research Center (BIRC), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Umezono 1-1-4, Tsukuba 305-8568, Japan (2) Laboratory for Developmental Neurobiology, Brain Science Institute, RIKEN (The Institute of Physical and Chemical Research), 2-1 Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198, Japan (3) RIKEN Harima Institute, 1-1-1 Koto, Mikazuki-cho, Sayo, Hyogo 679-5148, Japan (4) Research Center for Ultra-High Voltage Electron Microscopy, Osaka University, 7-1, Mihogaoka, Ibaraki, Osaka 567-0047, Japan (5) Department of Biophysics, Faculty of Science, Kyoto University, Oiwake, Kitashirakawa, Sakyo-ku, Kyoto 606-8502, Japan (6) Calcium Oscillation Project, International Cooperative Research Project (ICORP), Japan Science and Technology Agency (JST), 3-14-4, Shirokanedai, Minato-ku, Tokyo 108-0071, Japan (7) Japan Biological Information Research Centre, 2-41-6 Aomi, Koto-ku, Tokyo 135-0064, Japan (8) Division of Molecular Neurobiology, Department of Basic Medical Sciences, Institute of Medical Science, University of Tokyo, 4-6-1, Shirokanedai, Minato-ku, Tokyo 108-8639, Japan

Calcium concentrations are strictly regulated in all biological cells, and one of the key molecules responsible for this regulation is the inositol 1,4,5-trisphosphate receptor, which was known to form a homotetrameric Ca2+ channel in the endoplasmic reticulum. The receptor is involved in neuronal transmission via Ca2+ signaling and for many other functions that relate to morphological and physiological processes in living organisms. We analysed the three-dimensional structure of the ligand-free form of the receptor based on a single-particle technique using an originally developed electron microscope equipped with a helium-cooled specimen stage and an automatic particle picking system. We propose a model that explains the complex mechanism for the regulation of Ca2+ release by co-agonists, Ca2+, inositol 1,4,5-trisphosphate based on the structure of multiple internal cavities and a porous balloon-shaped cytoplasmic domain containing a prominent L-shaped density which was assigned by the X-ray structure of the inositol 1,4,5-trisphosphate binding domain.

PubMed Link

タンパク質構造決定技術、膜タンパク質精製技術、情報技術、電子顕微鏡技術、神経細胞の培養技術等.