イオンチャネル・受容体・Gタンパク質の分子機能のメカニズムと動的構造機能連関に関する研究
イオンチャネル，受容体，G タンパク質等の膜関連タンパク質は，神経細胞の興奮性とその調節に重要な役割を果たし，脳機能を支えています。本研究部門では，これらの神経機能素子を対象として，生物物理学的興味から「その精妙な分子機能のメカニズムと動的構造機能連関についての研究」に取り組み，また，神経科学的興味から「各素子の特性の脳神経系における機能的意義を知るために遺伝性変異体などに関する研究」も進めています。
具体的には，分子生物学的手法により，神経機能素子の遺伝子の単離，変異体の作成，蛍光蛋白やマーカーの付加等を行い, アフリカツメガエル卵母細胞，HEK293T 細胞等の遺伝子発現系に再構成し，二電極膜電位固定法，パッチクランプ法等の電気生理学的手法，細胞内Ca2+ イメージング，細胞内 cAMPi イメージング、全反射照明下でのFRET 計測や，蛍光非天然アミノ酸を用いた膜電位固定下における電流と蛍光強度変化の同時測定等の光生理学的手法により，その分子機能や動的構造変化を解析しています。また，イオンチャネルの制御機構の解明に関わる研究や外部研究室との連携による構造生物学的アプローチなども進めています。
主たる研究対象分子は，Two pore 型 Na+ チャネル (TPC)， Two pore 型K+ チャネル(K2P)，G タンパク質結合型内向き整流性K+ チャネル(GIRK)， アデノシン受容体、Sigma-1受容体を含む種々のG タンパク質結合型受容体等です。また，共同利用研究として多様な種に由来するTRP チャネル，植物のチャネル、オプシンなどを対象とした研究課題に取り組んでいます。
方法論の特徴として，まず，in vitro 発現系を用いて観察対象を純化することにより厳密な生物物理学的解析を行っている点が挙げられます。特にアフリカツメガエル卵母細胞の発現系は二電極膜電位固定法というハイスループットの解析を可能とし，新規薬剤のスクリーニング，機能発現法cDNA クローニング，構造機能連関解析等に威力を発揮します。そのため，この系を利用して，これまで多くの共同利用研究を実施してきました。もうひとつの特徴として，電気生理・光生理同時記録により，機能と構造の動的変化を対応づけて解析している点があります。このアプローチは，機能時の姿を知るという意味で有効な方法論であると考えています。これらの実験系と解析手技を活用して，今後も研究を推進するとともに，共同利用研究の充実に尽力していきます。
図１ アフリカツメガエル卵母細胞を用いた，膜電位固定下でのチャネル電流と蛍光強度の同時測定による，TPC3 チャネルの機能と動的構造変化の解析 (Shimomura T, Hirazawa K, Kubo Y (2023) Proc Natl Acad Sci USA)
