【研究領域課題番号】19H03189 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

振動 / モータータンパク質 / 細胞 / 心臓 / 鞭毛 / ミオシン / ダイニン / 心筋 / １分子 / 運動タンパク質

【研究成果の概要】

軸糸ダイニン分子では，Duty ratio（力を出す割合）が低い可能性がある。これを検証するため、ウニ精子鞭毛の外腕にある21Sダイニンの運動アッセイで割合を求めた。ダイニン密度と滑り速度の関係から力を出す割合は約7%となった。このことから、軸糸およびbundle で長さ当たりの力が小さい原因が低いduty ratio にあることが示された。さらに、duty ratio が低い原因を探るため、21S ダイニンのATPase cycle における微小管へのアフィニティーを調べた結果、ADP、AMPPNP、no nucleotide ではダイニンの微小管へのアフィニティーはATP 存在下と比較して3 ％にまで低下することが明らかになった。21S ダイニンのATPase cycle 中で強結合を観察できなかったことは、ダイニンのduty ratio が低い原因の一つであることを示唆する。
ミオシンの分子特性の違いは，心臓や筋肉における収縮，弛緩を担うミオシンとアクチンの相互作用に大きな影響を与える．研究では，心筋ミオシン，骨格筋ミオシンの分子特性が如何にこれらの臓器の収縮機能に活かされているのか検証した．以前の研究結果から，心筋ミオシン集合体の力発生は骨格筋ミオシン集合体のそれとは大きく異なることを見出した．更にシミュレーションモデルによって，これらの違いは各ミオシン分子が発するリバースストロークの頻度に依存する可能性が示唆された．この結果を検証するため，光ピンセットを用いた1 分子計測技術により，ADP とリン酸溶液中において負荷に対する心筋，骨格筋ミオシン1 分子の構造変化を評価した．その結果，心筋ミオシン分子はパワーストロークとリバースストロークを発することによって，３つの構造状態間を遷移することが判明した

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】16H04773 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子モーター / 1分子 / 少数分子 / キネシン / ミオシン / ステップ / 理論 / 細胞 / ダイニン / 運動 / 1分子計測 / モータータンパク質 / メカニズム / 生物物理

【研究成果の概要】

細胞内の物質輸送や細胞分裂を担うモータータンパク質であるキネシン、ミオシンV、ダイニンは一定の歩幅で長距離を解離することなく、前進運動や後退運動を行う。これら三種類のモータータンパク質の１分子の運動特性を統一的に記述するために運動を単純化して、2つの状態を遷移する数理モデルを提案し、このモデルによって本研究や過去の実験結果をうまく説明することができた。
また、筋肉由来のミオシン多分子による力発生を測定した結果、協同的に力発生を行うことが、実験的にもシミュレーションによっても明らかとなった。このような協同的な運動が単離幼若心筋の周期的収縮と関連していることが示唆された。

【研究の社会的意義】

これまでの生命科学は、多様性や複雑性に関する研究が多い一方で、物理学が得意とするような統一性や普遍性の研究が少なく、これらの分野の今後の発展が望まれている。その意味で、今回の運動を簡単な数式で統一的に説明した研究は、輸送タンパク質にとどまらず、ATPを利用する多くのタンパク質の運動を説明できる可能性を秘めており、学術的意義が大きい。また、心筋細胞の振動現象のメカニズム解明は、心臓の運動を記述する際重要である。従って、今後心臓や心臓疾患を理解するための基礎となり、学術的にも社会的にも意義がある。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)

【研究分野】構成的システム生物学

【研究領域課題番号】16KT0065 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

微小管 / アクチンフィラメント / キネシン / ミオシン / FRET張力センサー / FRET力センサー / 光ピンセット法 / 細胞骨格 / ダイニン / ミオシンミニフィラメント / FRET / 力センサー / メカノセンサー

【研究成果の概要】

細胞機能を統合する伝達システムの実態を明らかにするため、細胞骨格を主体とした「力学伝達システム」の可能性に着目した。細胞骨格間の張力を定量できるFRET張力センサーの開発を行い、細胞骨格である微小管やアクチンフィラメント間にはたらく力学特性やその結合タンパク質の力学特性を検討した。細胞骨格からなるネットワークの形態は、細胞骨格タンパク質、細胞骨格を架橋するタンパク質、細胞骨格に作用するモータータンパク質の濃度、及び、ATP濃度に依存した。以上のことより、細胞骨格である微小管やアクチンフィラメントは力学的なネットワークを形成し、そのネットワークが力学的に制御される可能性を示唆する結果を得た。

【研究の社会的意義】

細胞機能を統合する伝達システムとして、従来から多く調査されている化学信号伝達システムを補完する、もしくは統合して新たな伝達システムとなり得る細胞骨格を主体とした「力学伝達システム」の可能性を提示でき、学術的意義がある。これらの知見は、人工細胞の創製や再生医療における分子基盤に繋がることが期待でき、社会的意義も高い。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-07-19 - 2019-03-31

【配分額】16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円)

【研究分野】分子遺伝学・分子生理学

【研究領域課題番号】04304057 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

細胞質分裂 / アクチン繊維 / 微小管 / 中間径繊維 / 収縮環 / 分裂装置 / ダイニン / キネシン / 細胞接着装置 / ミオシン / リン酸化

【研究成果の概要】

(1)細胞質分裂:収縮環の形成には蛋白質リン酸化と低分子量G蛋白質rhoが関与していることが示唆された。(2)in vitro運動系:トロポミオシン-トロポニンはアクトミオシン相互作用におけるエネルギー変換効率を高めることが分かった。キネシン頭部の特定部位を基質に固定化し、キネシン頭部だけでも微小管を滑走させることを見いだした。(3)アクチン機能:テトラヒメナと粘菌のキメラアクチンを作製し、アクチンの機能部位を調べた結果、38-83アミノ酸配列がDNaseI結合を担うことが分かった。(4)細胞膜裏打ち構造:アンチセンスDNA法により、エズリン・ラディキシン・モエシン(ERM)がアクチン繊維の構築に関与していることを示した。またERMは細胞膜蛋白質CD44と直接結合することを示した。(5)分裂装置:微小管安定化剤であるヘキシレングリコールは3%未満では中期紡錘体を大きくし、染色体運動を遅める作用をした。(6)色素細胞運動:白色素胞の運動がモーター蛋白質と微小管の相互作用で起こることを示した。また黒色素胞の色素顆粒凝集に先立つCaイオン濃度の上昇を観察した。(7)脳微小管:抗チューブリン抗体E3B8のエピトープが全てのα-チューブリンアイソタイプに共通の432-452のアミノ酸配列領域に存在することを明らかにした。(8)微小管の動的性質:微小管はMAPS結合位置で脱重合相から重合相へスイッチすることが示された。MAPSのこの微小管安定化能はMPFによるリン酸化で消失した。22SダイニンはATP感受性結合をし、微小管を安定化することが分かった。(9)中間径繊維:ウシ脊髄のニューロフィラメントにはタイプ2A蛋白質フォスファターゼが結合しニューロフィラメントの構造維持に働いていることが分かった。細胞質分裂期の中間径繊維キナーゼの候補としてCa-CaM依存性キナーゼが考えられた。

【研究種目】総合研究(A)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】13,000千円 (直接経費: 13,000千円)