当研究室では、以下の研究に取り組んでいます。
ATP Binding Cassette(ABC)トランスポーターの構造薬理学
ATP Binding Cassette (ABC)トランスポーターとは、共通性の高いアミノ酸配列を示すATP加水分解酵素活性を担う領域を持つ膜貫通型タンパク質のことです。 それらはATPを自ら加水分解して得られるエネルギーを利用して化合物を能動輸送することができます。 そのなかでも、ABCB1（P-糖タンパク質あるいはMDR1とも呼ばれる）は、多種多様な化学構造の分子を細胞外へと輸送する多剤排出トランスポーターであり、小腸、血液脳関門、肝臓、腎臓、生殖器などに多く発現して、体外から侵入する異物を排除しています。 まさに、生体防御の要なのです。しかし、「薬」も生体にとっては異物であり、同様に排出してしまうことから薬物の吸収を低下させる原因ともなっています。特に厄介なのは、癌の獲得多剤耐性を引き起こすことです。初期癌では抗癌剤を用いる化学療法によってほとんどの癌細胞を死滅させることができます。 しかし、５年から１０年を経て生き残ったごく少量の癌細胞が再発すると、今度は、以前治療に用いた抗癌剤だけでなく、分子構造が全く異なる抗癌剤であっても、ほとんど効かなくなってしまうのです。 これは、再発癌がABCB1を高発現することで多剤耐性を獲得したことが原因であり、この問題は、癌の薬物治療の本質的な障害となっています。そこで我々は、ABCB1の分子構造を各原子が区別できる精度で解明し、その分子構造の動きと作用の仕組みを化学の言葉で明らかにすることで、この問題の解決を考えようと研究に取り組んでいます。 我々は、結晶化に適したABCB1分子の探索、新たに発見したABCB1の大量調製法の構築、そのABCB1結晶に適したX線結晶構造解析法を開発し、世界最高分解能2.4 ÅでX線結晶構造を決定しました。詳細はこちらへ。
X線自由電子レーザーを用いたタンパク質結晶学研究
X線結晶構造解析は、精密な分子構造を決定できる最も優れた方法であるが、以下のような欠点があります。 まず、１）適切な結晶がなければ実行できないという深刻な欠点があげられます。 また、２）解析から得られる立体構造は、いわゆる静止状態の構造であるため、溶液状態で作用している動く状態のタンパク質の姿を反映していません。 さらに、３）X線照射による結晶の損傷と熱振動による測定データの悪化を抑えるために、液体窒素温度に冷やして測定を行うため、得られた構造が常温とは異なる可能性があります。最近、この問題を打開すると期待される新たな技術革新が起きました。 2010年、米国LCLS (Linac Coherent Light Source at Stanford University ; https://lcls.slac.stanford.edu)でX線自由電子レーザー(X-ray free electron laser; XFEL)の使用が可能となり、我が国でも、2012年に世界で２番目の施設としてSACLA (SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser; http://xfel.riken.jp/sacla/index00.html) が利用可能となったことです。 これらXFELは、例えばSACLAはSPring-8の10億倍輝度という桁違いに高輝度でコヒーレントなフェムト秒パルスX線を発生します。 このXFELを用いれば、これまで不可能だったマイクロメートル以下のサイズの微小な結晶でも解析が可能となり、しかも測定時間がフェムト秒に短縮されることで、寿命の短い状態の立体構造を常温で捉えることができ、動作中のタンパク質の動きを原子レベルで解析することが可能となると考えられるからです。詳細はこちらへ。
心筋型リアノジン受容体の構造薬理学
心筋型リアノジン受容体（RyR2, 総分子量2.2 MDa）は心筋筋小胞体の超巨大なCa2+放出チャネルです。活動電位によって細胞外から流入したカルシウムイオンがRyR2に結合することでRyR2が開口し、筋小胞体に蓄えられたカルシウムイオンが瞬時に大量に放出され心筋の収縮が起こります。RyR2の遺伝子変異（300箇所以上）はさまざまな不整脈疾患の原因としても知られており、RyR2は不整脈疾患の標的分子としても注目を集めています。一方、この巨大なチャネルは単量体当りたった1個（即ち1分子のRyR2に4個）のCa2+が結合することで開口する驚くべき単純な機構を持ちます。しかし、「カルシウムイオンのような小さな分子が、一体どのように6万倍も大きな超巨大分子RyR2を制御しイオンを通す穴を開くか？」という点については謎のままでした。それもあり、不整脈疾患の効果的な診断や、治療のための創薬への展開は困難を極めていました。我々は、クライオ電子顕微鏡による単粒子解析により、閉状態と開状態の高分解能での構造決定を行い、Ca2+結合による開口機構を世界で初めて明らかにすることに成功しました。さらに、変異体の構造決定も行うことで、Ca2+は結合するもののチャネル孔は開いていない、言わば中間体状態の構造決定にも成功しました。詳細はこちらへ。
GCase受容体の構造薬理学
cGMPは生命の維持に必須な細胞内セカンドメッセンジャーです。cGMPはGTPからの変換により産生されますが、これを担う酵素がGuanylyl Cyclase (GCase)です。GCaseは水溶性と膜貫通型の２種類がありますが、前者は1998年のノーベル医学生理学省の受賞対象でもある「NO（一酸化窒素）」の結合により駆動されるGCaseです。一方、後者の膜貫通型GCaseは、細胞外での基質の受容が細胞内へ伝播することで細胞内のGCaseが駆動する「１回膜貫通型」の受容体で、我々はこの後者の研究を行っています。最も代表的なものは血圧や体液量の恒常性維持に必須の働きを担う「心房性ナトリウム利尿ペプチド（ANP）」の受容体であるANP受容体です。ANPの医療での貢献は極めて高く、ANPそのものが心臓保護作用も併せ持つ唯一の急性心不全治療薬として世界で数百億円の巨大な市場を持ちます。このようにその重要性が明らかであるにもかかわらず、①ANP受容体やその類縁受容体が「ホルモンを認識」する機構や、②受容体に結合したホルモンが「膜を隔ててシグナルを伝達しGCaseを活性化する機構」は未解明な問題です。私たちはこれまで世界に先駆けてANP受容体の細胞外ドメインがANPと結合した構造をX線結晶解析で明らかにしましたが、その「全長構造」が未決定であるために、上記の２項目の問題の根本的な解明には至っていません。その「全長構造」が未決定である理由は、膜１回貫通型受容体が膜貫通領域を1本しか持たない等、取り扱いが極めて困難なことに起因すると考えられるます。そのため、ANP受容体を含めた膜1回貫通型受容体の構造解析は構造生物学における最後のフロンティアと言っても過言ではないと考えられます。詳細はこちらへ。