Molecular basis of auditory signal amplification

听觉信号放大的分子基础

• 批准号: 22KJ0609
• 负责人: 二又 葉音
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0609/
• 关键词: 聴覚; 膜タンパク質; 分子モーター; クライオ電子顕微鏡; 単粒子解析; 構造生物学; SLC26ファミリー; 構造解析

「聴覚シグナルの分子機構の解明」を目指し、タンパク質の構造およびその機能を解析する実験を行い、申請者を筆頭著者として論文を掲載した。聴覚とは、空気振動が耳で電気シグナルに変換されるメカニズムである。内耳には受容した音を増幅する仕組みがあり、外有毛細胞の伸縮運動がその実体だと考えられている。この細胞伸縮を引き起こすモータータンパク質がprestinで、音に同期した電位変化に応答してモーター運動をする。Prestinのモーター運動に我々の聴覚の鋭敏性は支えられており、機能を欠損すると難聴の原因になることが確認されている。我々はクライオ電顕を用いた単粒子解析により分解能3.5～3.6Åでprestinの構造解析に成功し、モーター運動の動作モデルを提唱した。Prestinのモーター運動には塩化物イオン、硫酸イオン、サリチル酸などの生理基質が関わっており、これらをそれぞれ加えた構造解析を行うことで、pretinの構造を3状態について取得した。Prestinは膜貫通ドメインと細胞内のSTASドメインからなり、それらが互いに交差した2量体であることが明らかとなった。膜貫通ドメインの中央には、基質がアミノ酸残基の静電的相互作用によって保持されていることが確認された。さらに、こうした基質の結合によって、ドメイン間の水素結合相互作用ネットワークが変化することが示唆され、電気生理学的にprestinの機能を解析することで確認された。Prestin分子が塩化物イオンを保持する機構は分子動力学シミュレーションによっても再現された。以上の結果を踏まえ、基質の結合がprestinのモーター運動を制御するモデルを提唱した。

我们以“阐明听觉信号的分子机制”为目标，进行了蛋白质结构和功能分析的实验，并以申请人为第一作者发表了论文。听觉是空气振动在耳朵中转化为电信号的机制。内耳具有放大接收到的声音的机制，外毛细胞的扩张和收缩被认为是该机制的实质。引起细胞扩张和收缩的运动蛋白是 prestin，它使运动运动响应与声音同步的潜在变化。我们的听觉敏锐度是由 Prestin 的运动运动支持的，这种功能的丧失已被证实会导致听力损失。我们使用冷冻电镜进行单粒子分析，成功地以 3.5-3.6 Å 的分辨率分析了 prestin 的结构，并提出了电机运动的操作模型。氯离子、硫酸根离子、水杨酸等生理底物参与prestin的运动，通过对添加的各物质进行结构分析，我们得到了pretin的三种状态的结构。据了解，Prestin由跨膜结构域和细胞内STAS结构域组成，是这些结构域相互交叉的二聚体。已证实底物通过氨基酸残基的静电相互作用保持在跨膜结构域的中心。此外，有人认为，域间氢键相互作用网络在结合此类底物时发生变化，这通过 prestin 功能的电生理学分析得到了证实。 Prestin 分子保留氯离子的机制也通过分子动力学模拟重现。基于上述结果，我们提出了一个模型，其中底物结合控制 prestin 的运动。

项目成果

Northwestern University(米国)

西北大学（美国）