【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】生物物理学

【研究領域課題番号】23247022 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ダイニン / 単頭 / 力 / 変位 / エンドサイトーシス / 1分子 / Tatペプチド / 細胞 / モータータンパク質 / ナノメートル

【研究成果の概要】

組換ヒト双頭ダイニン分子の力測定と単頭ダイニンの破弾力の測定を行った．その結果ダイニン分子は，約6pNの大きな力を発生する能力があり，天然ダイニンの発する力と同程度であった．単頭ダイニンの破弾力は，ADP，AMPPNP，核酸なしでは強結合であったが，ADPVi存在下では弱結合であった．また力を前方向に加えると外れやすかった．ダイニンの前方への歩行に有利であることが明らかとなった．
細胞内にPAR-1膜タンパク質がエンドサイトーシスされる過程を3次元的に高精度（~10nm)に測定を行った結果，細胞膜から細胞内にエンドサイトーシスするだけでなく，細胞内から細胞膜に戻る反応も発見された．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】48,490千円 (直接経費: 37,300千円、間接経費: 11,190千円)

【研究分野】ナノ材料・ナノバイオサイエンス

【研究領域課題番号】16310082 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ダイニン / 1分子 / ステップサイズ / キネシン / モータータンパク質 / 原子分解能

【研究成果の概要】

細胞質ダイニンの1分子運動特性を2000年(生物物理学会,山口りさ他)に報告したが,データーを安定して得ることができなかった.昨年,Mallikらは,ダイニンの1分子が細胞内に比べ格段に遅い速度,小さな力,長いステップサイズ(>16nm)をとることを報告した。我々は,これら不安定さや遅い速度が,ダイニンが不活性になっているためと考え、新たに,運動活性の高いダイニンを得るために、ブタ脳細胞質ダイニンを、さらに微小管を用いて精製し、あわせてビーズのコーティング法を改良した。このダイニン1分子の運動特性を、高時間・空間分解能の計測システムにより測定・解析した。
その結果、細胞質ダイニン1分子は、ATP濃度によらずprocessiveに微小管上を運動した。最高速度は800nm/sであり、細胞内での速度と一致した。また最大発生力は、7-8pNに達し、キネシンとほぼ同程度であった。さらに、ステップサイズは、負荷によらず常に8nmで一定であった。しかし、ATPに加えてADP存在下では、16nm以上のlarge stepが観察された。時間分解能を上げて解析すると、このようなlarge stepは連続的に起こった8nm stepによるものであることがわかった。
本研究により、細胞質ダイニンは、キネシンと大きく異なる構造であるにもかかわらず、同様の力と速度、ステップサイズを持つことがわかった。モータードメイン全体の長さが約30nmもあるダイニンが、規則正しく8nmのステップを刻むことから、キネシンのようなhand-over-handモデルも視野に入れて、メカニズムを考える必要がある。またADP存在下で、協同的なstepを発生したことから、ADPが結合する事により、キネシンとは、異なる機能や制御機構を発生する可能性も示唆される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】15,100千円 (直接経費: 15,100千円)