研究課題名：膜を介する（チャネルおよびGPCRを中心とした）情報伝達の分子機構研究

1．研究課題名：

膜を介する（チャネルおよびGPCRを中心とした）情報伝達の分子機構研究

2．研究期間：

平成16年度～平成20年度

3．研究代表者：

藤吉　好則（京都大学大学院理学研究科・教授）

4．研究代表者からの報告

（1）研究課題の目的及び意義

　膜蛋白質を中心とする情報伝達と制御の分子機構を構造の視点から理解することを目的として、具体的には、1）水チャネルの構造と機能、活性制御、そして高次機能の研究、2）イオンチャネルの構造と機能解析および局在化機構等による高次機能の解析、3）エンドセリン受容体B型（ET_BR）等のG蛋白質共役型受容体（GPCR）の構造と機能解析の3つの研究課題を遂行する。具体的な、3つの構造研究課題において当面の中心をなす分子は、1）については、脳での存在が確認されているアクアポリン4（AQP4）で、2）については、カルシュウム濃度調節に関わるIP3受容体で、3）については、ETBRにリガンドET-1が結合した状態についてである。
　これまで、構造研究の対象にできなかった哺乳動物などの膜蛋白質について、組み換え遺伝子の発現技術と、電子線結晶学、単粒子解析、解剖学、電子線トモグラフィー等の手法による構造解析技術と、各種光学顕微鏡法、さらには、遺伝子改変マウス技術等を駆使することによって、神経細胞を中心とする情報伝達の分子機構を解明することを目的とする。
　この様な研究により、神経細胞などにおける情報伝達と制御機構を分子レベルから詳細に理解できるようになることが期待され、創薬の指針となるような知見が得られる可能性がある。

（2）研究の進展状況及び成果の概要

　上記、膜蛋白質を中心とする情報伝達と制御の分子機構を構造の視点から理解することを目的として、それぞれの研究課題を総合的に進めているが、特に1）脳での存在が確認されているAQP4の昆虫細胞Sf9での発現系を確立し、2次元結晶の作製に成功した。この結晶は、2枚の膜が重なった2次元結晶であり、その2枚の膜が結晶学的には、ずれた位置で相互作用するものも含むという構造解析が非常に困難な結晶であった。カーボンサンドウィッチ法を開発する（J.Struct.Biol.146,325（2004）に発表）と共に、独自に開発した極低温電子顕微鏡を駆使することによって、その構造解析に成功した。この結果、AQP4分子がアストログリア細胞のエンドフィートに結晶状の構造体を形成している機構とその大きさを制御する分子機構が明らかになった。さらに興味深いことに、浸透圧や温度、栄養のセンシングをしていることが知られている視床下部にみられるグリア層において、AQP4分子がこれらの細胞を接着している構造が明らかになった。AQP4は水チャネルでありながら、細胞接着活性を有することが発見された。2）については、IP3受容体のCa2+結合状態と非結合状態の両方の構造を氷包埋の単粒子解析法で解析し、驚くべき大きな構造変化があることが解明された。3）については、ET_BRを昆虫細胞SF+を用いて発現精製する系を確立して、特にリガンドET-1が結合した状態の結晶化を目指して研究を進めている。

5．審査部会における所見

A（現行のまま推進すればよい）
　極低温電子顕微鏡装置を使用することにより、細胞膜に組み込まれた蛋白の構造解析が水チャネル、イオンチャネル、GPCRを中心に順調に展開している。特にアクアポリン4については、遺伝子の発現系と精製系を確立し、構造解析が順調に進行している。遺伝子改変マウスの作成により、機能解析についても研究が進行中である。IP3受容体の構造解析も大きな進展を見せ、カルシウム結合状態での新しいモデルが提唱された。これらの成果はいずれも世界の最先端を走るものであり、高く評価される。研究組織の運営は効率的かつ有機的であり、協力体制が充実しているため、さらなる発展が期待できる。研究費は効率的に使用されており、研究成果に結びついている。