細胞生理学セミナー

セミナーのご案内です。

  • 2017年

    第17回:Structural Biology of GPCRs: The impact of NMR and x-ray Free Electron Lasers on Membrane Protein Dynamics
    開催日時 2017年5月10日 13:00-15:00
    開催場所 創薬科学研究館2F 205号室
    講師 Prof. Gebhard F. X. Schertler (Structural Biology ETH Zurich D-BIOL and Head of Biology and Chemistry Division Paul Scherrer Institute PSI, Switzerland)
    概要 Schertler教授は、X線結晶学で世界をリードしてきた著名な研究者です。Brian Kobilkaがノーベル賞を受賞する契機となったアドレナリン受容体の構造解析にも大きな貢献をされました。最近ではX線自由電子レーザーを駆使した時分割構造生物学で先駆的な成果を挙げられています。今回は、GPCRの構造ダイナミクスについて、NMRやXFELを駆使した最新の結果をご紹介頂きます。
    要旨のダウンロード; フライヤーのダウンロード
    *このセミナーは先端薬科学特論の単位認定対象です。
    第16回:ギャップ結合チャネルの構造研究とクライオ電子顕微鏡法
    開催日時 2017年1月11日 16:00-17:00
    開催場所 創薬科学研究館2F 205号室
    講師 大嶋 篤典 博士 (名古屋大学 細胞生理学研究センター)
    概要 多細胞生物に存在するギャップ結合は隣り合う細胞の細胞質を電気的にも化学的にも共役させている。この基本構造は隣接する二枚の細胞膜を同時に貫通するチャネルの集合体であり、チャネルの構成タンパク質として2つのファミリーが知られている。脊椎動物を含む脊索動物ではコネキシンが、無脊椎動物ではイネキシンがギャップ結合チャネルを構成するが、これらの間には有意なアミノ酸配列の相同性が見られない。コネキシンは12量体で一つのチャネルを形成することが知られており、共同研究を含めた我々の研究によってコネキシン26はそのN末端の構造がチャネルの透過活性や開閉に深く関与することが電子線とX線による結晶構造解析から示されてきた。イネキシンについては我々が電子線結晶学を用いて線虫の持つイネキシン6(INX-6)が16量体から成ることを示し、さらにクライオ電子顕微鏡による単粒子解析でINX-6の原子モデルの構築に成功した。本セミナーでは、我々がこれまでに手掛けた構造研究から自然界に存在する2種類のギャップ結合チャネルに共通した構造と多様性を紹介する。またクライオ電子顕微鏡を用いた単粒子解析で得られる高分解能データとそれを取得するための技術的なアプローチを紹介し、膜タンパク質の構造解析に向けたクライオ電子顕微鏡法の可能性について議論する。
    【参考文献】
    Oshima et al., 2016, Nat. Commun.
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  • 2016年

    第15回:The Energy of Life: Linking Biophysical approaches to real world applications.
    開催日時 2016年12月20日 11:00-12:00
    開催場所 創薬科学研究館2F 205号室
    講師 Dr. Duncan McMillan (JSPS Research fellow, Department of Applied Chemistry, The University of Tokyo)
    概要 概要のダウンロード: Membrane-bound enzymes utilizing proton/electron transfer play a central role in the respiration of all life on earth. Enzymes called quinone oxidoreductases catalyse the twoelectron, two-proton conversion of lipophilic quinol to quinone, driving the generation of transmembrane proton (ΔpH) and electrical gradients (ΔΨ). These gradients are then used to power an enzyme called the ATP synthase, the key enzyme in producing chemical cellular energy (ATP) and effectively a proton ‘sink’. Despite the importance of these enzymes, little is known about quinone-quinol interconversions in the membrane environment, and even less is know about the transfer of protons between oxidoreductases and the ATP synthase.
    Presented here are biomimetic lipid bilayer systems to examine proton and electron movement using both enzymes and native lipid environments. Also presented are two example biological systems in which single-molecule mechanics and proton movements have been examined.
    In the first example I demonstrate electron transfer through a nanoarchitecture using the fumarate reductase system of the model organism for metal reduction Shewanella oneidensis MR-1. This system involves two proteins, CymA, a monotopic membrane tetraheme c-type cytochrome belonging to the NapC/NirT family and the physiological binding partner, fumarate-reducing flavocytochrome c (Fcc3).
    In the second example I describe a novel method to monitor single molecule resolution of the proton pumping activity of the quinol heme-copper oxidase, cytochrome bo3 reconstituted in liposomes. Using surface tethered liposomes and coupling electrochemistry with fluorescent microscopy allowed us to in situ activate and simultaneously monitor cytochrome oxidase proton pumping activity in liposomes.
    In the third example I examine the rotary dynamics of TA2F1, a thermoalkaliphilic ATP synthase from Caldalkalibacillus thermarum TA2.A1, with two robust forms of singlemolecule analysis, a magnetic bead or a gold nanoparticle. Torque measurements revealed not only the highest torque (52pN) observed for an F1 molecule using fluctuation theorem, but also a novel mechanistic profile. The mechanism of LDAO activation and implications of a high torque in terms of extreme environment adaptation are presented. Lastly I present the future directions and applications of such approaches for an array of different fields, from bioelectricity and bioremediation to nanomotors . with particular focus on the study of pathogen respiratory chains and their adaptation to environment.
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    第14回:The labfolder Journey: From Science to Start-up
    開催日時 2016年11月15日 15:00-16:30
    開催場所 創薬科学研究館2F 205号室
    講師 Dr. Florian Hauer (Max Planck Institute, Founder & COO at labfolder GmbH, Germany)
    概要 Creating innovation at technological frontiers, working hard under time pressure and finding the right solution at the right time: science and start-ups have a lot in common. Thus, founding an own company can be a promising career path for scientists. Florian Hauer, co-founder of labfolder.com , the platform for digital laboratory and research data management, will take you on a journey from the first idea to a market-leading product which helps thousands of scientists to accelerate research and innovation in the lab. He will share his experiences on his way and tell about learnings he had while founding a company that will benefit innovators both at the bench and in business.
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    第13回:線虫における革新的遺伝子スクリーニング
    開催日時 2016年7月4日 14:00-15:30
    開催場所 創薬科学研究館2F 講義室
    講師 野間 健太郎 博士 (University of California, San Diego, HHMI)
    概要 線虫(C. elegans)などのモデル生物を利用した遺伝子スクリーニングは、あらゆる生命機能において重要な遺伝子の発見に貢献してきた。これまでの遺伝子スクリーニングでは、変異原として化学物質や放射線が用いられてきたので、変異導入が常にゲノム全体に対してであるという制約があった。そこで我々は、光に依存して活性酸素を産生するタンパク質を利用して、線虫に遺伝性変異を導入する方法を開発した。この方法はタンパク質を変異原として用いるので、様々なDNA結合タンパク質と組み合わせることによって、ゲノム全体ではなく特定の遺伝子または遺伝子群を標的とした全く新しい遺伝子スクリーニングに利用できる可能性がある。また、この方法の基本原理は大腸菌、酵母、ショウジョウバエや哺乳動物細胞などを用いた遺伝子スクリーニングへの応用が期待される。
    【参考文献】 Noma and Jin, 2015, Nat. Commun.
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    第12回:3D-electron microscopy: Applications to biology and medicine
    開催日時 2016年5月11日 14:00-15:30
    開催場所 創薬科学研究館2F 講義室
    講師 Dr. Sriram Subramaniam (Center for Cancer Research, National Cancer Institute, NIH)
    概要 最近、構造生物学分野が大きく変わりつつありますが、それは低温電子顕微鏡を用いた単粒子解析法という構造解析法が飛躍的進歩を遂げたことによります。Subramaniam博士は、結晶を作製しないでも高分解能の構造解析が可能な、この単粒子解析法を用いて、この方法では最も高い2.2Åという分解能での構造解析を、beta-galactosidaseについて成功しております。これ以外にも重要な分子や複合体の構造解析も進めている博士の講演を是非聞きに来ていただければと思います。
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  • 2015年

    第11回:Mitochondrial ATP synthases and cristae structure
    開催日時 2015年12月9日 14:00-15:30
    開催場所 創薬科学研究館2F 講義室
    講師 Dr. Karen Davies (Max-Planck-Institute of Biophysics)
    要旨 Mitochondria are the powerhouses of eukaryotic cells. Located in the cytoplasm, the double membrane bound organelle generates vast quantities of ATP through a process of oxidative phosphorylation. The pathway consists of five large membrane-bound proteins, which are housed in the invagination of the inner mitochondrial membrane called cristae. The structure of the cristae varies both between species and between different types of tissues within the same organism. In addition, changes in cristae structure are associated with many human diseases. Using a process of electron cryo-tomography and sub-tomogram averaging, we are investigating the molecular basis of cristae structure and function. So far, we have discovered that the membrane-proteins of the oxidative phosphorylation pathway are spatially separated in cristae. The ATP synthases form rows of dimers along highly curved ridges in the cristae membrane while the respiratory chain complexes interact forming supercomplexes in the flat membrane regions. The structures of these complexes are species specific and variation in the morphology of ATP synthase dimer rows correlate with changes in cristae structure. Using a combination of mutations and reconstitution experiments, we have shown that the ATP synthases directly cause membranes to bend and influence cristae structure and organisation. In addition, using the technique of single particle electron cryo-microscope we have determined the structure of a mitochondrial ATP synthase dimer to 6-7? resolution. This resolution was sufficient to reveal a bundle of four horizontal membrane-intrinsic helices adjacent to the rotor-ring and a pair of offset hydrophilic half-channels extending from the lumen and the matrix to the centre of the horizontal helical bundle. When combined, these results provide a preliminary model for cristae biogenesis in mitochondria and an explanation of how proton movement through the ATP synthase drives rotary catalysis.
    【参考文献】
    Allegretti et al., 2015, Nature
    Jiko et al., 2015, eLife
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    第10回:クローディンの立体構造に基づいたタイトジャンクションの新知見
    開催日時 2015年11月30日 13:00-14:30
    開催場所 創薬科学研究館2F 講義室
    講師 鈴木 博視 博士 (Rockefeller University)
    要旨 上皮細胞は多細胞生物の内的環境と外界との境界に存在し、体全体や各組織を シート状に取 り囲んで区画化する働きを担っている。その細胞間隙透過経路を 介したイオンや小分子の透過を制御しているのは、タイトジャンクション(TJ)と 呼ばれる細 胞間接着構造体である。我々は、TJのバリア機能および選択的イオ ン透過機構を明らかにするため、TJの主要構成膜タンパク質であるクローディン に着目し、二つのサブタイプについてその立体構 造解析をおこなった。クロー ディン15単体の脂質キュービック層中での結晶構造からは、クローディンファミ リーの細胞外モチーフ 構造を明らかにするとともに、接着重合状態におけるTJ の高次構造モデルを提唱することができた。また細菌毒素のC末端ドメイン(C- CPE)とクロー ディン19との複合体結晶構造からは、C-CPEによる機能阻害様式を 明らかにすることができ、特定のクローディ ンを標的とした可逆的なTJの機能 阻害剤の開発が期待される。
    【参考文献】
    Suzuki et al., 2014, Science
    Saitoh and Suzuki et al., 2015, Science
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    第9回:脳高次機能とカルシウムシグナル 伝達系制御 ”Ca2+-dependent signaling in health and disease”
    開催日時 2015年3月27日 14:00-15:30
    開催場所 工学部6号館2F 226号室(講義室)
    講師 尾藤晴彦 教授 (東京大学大学院医学系研究科 脳神経医学専攻 神経生化学分野)
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    第8回:Visualizing ribosome dynamics and structure at <3 A resolution by aberration-corrected cryo-EM
    開催日時 2015年1月21日 10:30-12:00
    開催場所 工学部6号館2F 226号室(講義室)
    講師 Dr. Niels Fischer (Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Gottingen, Germany)
    要旨 Single particle electron cryomicroscopy (cryo-EM) has recently made significant progress facilitating structure determination of macromolecular complexes at up to 3 A resolution due to improvements in electron microscopic instrumentation and computational image analysis. In my talk, I will discuss some of the challenges in cryo-EM of dynamic complexes and I will show how we used cryo-EM to gain insights into the function of the ribosome, the macromolecular machine which synthesizes proteins in the cell.

    Using time-resolved cryo-EM, we visualized trajectories of tRNA movement through the ribosome from 50 distinct ribosome structures. This "molecular movie", albeit at low-resolution (9-20 A), provided important functional insights including kinetic information, the coupling of motions and a free-energy landscape of the process. Combining the cryo-EM data with atomic models from X-ray crystallography and MD simulations yielded "full-atom trajectories“ of the process and revealed the energy barriers and driving forces in tRNA translocation through the ribosome.

    Novel cryo-EM technology allowed us to visualize the ribosome in complex with translation factors at near-atomic resolution. In particular, we built a de novo model of a specialized translation factor from cryo-EM data and studied its dynamics on the ribosome. Furthermore, we determined the structure of the ribosome in complex with elongation factor Tu at 2.65-2.9 A resolution by spherical aberration-corrected cryo-EM providing novel insights into ribosome structure and function.

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  • 2014年

    第7回:Structure of TRPV1 ion channel by single particle cryo-EM
    開催日時 9月29日 13:00-14:30
    開催場所 工学部6号館2F 226号室(講義室)
    講師 Dr. Yifan Cheng (University of California, San Francisco)
    要旨 As a versatile tool in structural biology, single particle electron cryo-microscopy (cryo-EM) has achieved milestones of determining near atomic resolution three-dimensional (3D) reconstructions of non-enveloped viruses with icosahedral symmetry. Recent technological breakthroughs in single particle cryo-EM, particularly the development of novel dose-fractionated image acquisition method based on CMOS direct electron detection camera and robust algorithms for correction of motion induced image blurring, are transformative. It has enabled near atomic resolution structure determinations of a broad range of proteins complexes without the need of crystals. The Transient Receptor Potential (TRP) ion channel is a large and functionally diverse superfamily, second only to potassium channels. TRPV1 is the founding member of a subfamily of thermosensitive TRP channels. Facilitated by novel single particle cryo-EM technology, we determined atomic structures of TRPV1 ion channels in three different conformations, ligand free apo state and in complexes with vanilloid agonist capsaicin, or resiniferatoxin and Double-Knot toxin. These structures revealed the atomic structure of TRPV1 ion channel, providing a structural blueprint for understanding unique aspects of TRP channel function. They also revealed the gating mechanism different from that of voltage gated ion channels.
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    第6回:膜タンパク質Na+/K+-ATPase分子の新単離法と多様なオリゴマー構造状態
    開催日時 3月13日 13:30-14:30
    開催場所 工学部6号館2F 226号室(講義室)
    講師 林 雄太郎 客員主管研究員(糖鎖構造生物学研究チーム、理化学研究所)
    要旨 膜タンパク質Na+/K+-ATPaseは、3種のサブユニット、α、β、γから構成された分子で、動物の細胞膜を貫通して存在している。機能的には、ATP加水分解と共役させた機構で、Na+を細胞外へ、K+を細胞内へ能動輸送して、膜を隔てた電気化学勾配を形成している。謂わば、「ATPをエネルギー源とする、細胞の発電器」である。我々は、ブタ腎から、密度勾配ゾーナル超遠心で精製した膜結合型標品(細胞膜断片)を用いて、この分子の機能単位を明らかにすべく、40年余りオリゴマー構造を研究してきた。さらに最近、可溶化した腎組織から直接、Lectin親和性クロマトグラフィー(LAC法)で単離することに成功した。その結果、Protomer体(MW16万、α1β1γ1)ばかりでなく、それとほぼ同等のウアバイン依存性ATPase活性を保持した、Diprotomer (32万)やTetraprotomer (65万)のオリゴマー体が、細胞膜に存在することが示された。それらのオリゴマー構造は動的に相互変換をし得るものであり、さらに、余分のβやγサブユニットが、遊離状態で存在することが強く示唆された。従って、ATP加水分解に伴うE1・E2-コンホメーション変化のほかに、オリゴマー構造相互変換という動的挙動を、細胞膜の「脂質の海」で振舞う、この分子達をイメージすることができる。
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  • 2013年

    第5回:原核生物由来ナトリウムチャネルの立体構造に基づいた機能解析と活性制御機構解明のための構造解析
    開催日時 11月7日 14:00-14:45
    開催場所 工学部6号館2F 226号室(講義室)
    講師 入江克雅 特任助教 (名古屋大学 細胞生理学研究センター)
    要旨 膜電位感受性ナトリウムチャネル(Nav)は中枢神経において活動電位の伝導を担う重要な膜タンパク質であり、その機能阻害剤であるリドカインは 世界で最も広く使用されている局所麻酔薬である。Navの活性制御機構や薬剤による阻害機構を立体構造から詳細に理解することは、基礎生物学的な観点と共に局所麻酔薬をはじめとする創薬標的という観点からも重要な研究課題である。創薬研究には高分解能の立体構情報が望まれるが、そのためには試料の大量発現と精製、結晶化が必要である。高等生物由来のNavは一般に巨大で不安定な膜タンパク質であるために、高分解能の構造解析は困難である。そこで我々は、高等生物のNavと同等の機能を有する原核生物由来のNav(NavBac)に注目し、これらの機能解析および構造解 析を進めている。本セミナーでは、近年我々が明らかにしたNavBacの活性制御機構とその分子基盤について概説したい。
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    第4回:Ions and LeuT
    開催日時 9月10日 14:00-15:30
    開催場所 工学部6号館2F 226号室(講義室)
    講師 Dr. Matthias Quick (Columbia University)
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    第3回:Membrane enzymes in cellular protection and eicosanoid production
    開催日時 7月2日 14:00-
    開催場所 工学部6号館2F 226号室(講義室)
    講師 Dr. Ralf Morgenstern (Kalolinska Institute)
    第2回
    開催日時 5月28日 14:00-
    開催場所 工学部6号館2F 226号室(講義室)
    講師 Dr. Yifan Cheng (University of California, San Francisco)
    第1回
    開催日時 1月22-24日
    開催場所 豊田講堂
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