【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】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)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】13480213 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

キネシン / モータータンパク質 / 1分子 / 蛍光顕微鏡

【研究成果の概要】

単頭キネシンKIF1Aは微小管上をプラス端方向にバイアスのかかったブラウン運動をおこない,全体としてプラス端方向に運動することが1分子蛍光像の解析により明らかにされた(岡田,広川 Science 1999).今回レーザートラップを用いたナノ計測を行い,この運動を詳細に検討した.KIF1Aはプラス端方向だけでなく,マイナス方向にもステップ状の変位を行ない,最大力は1pNに達した.ステップの頻度とATP分解速度が等しいことから,1分子ATP分解当り平均1ステップが対応している.ステップサイズは8nmの倍数にピークを持つガウス分布(中心+3nm,分布幅15nm)を示したことから,KIF1Aの運動は方向性のある運動(+3nm)とブラウン運動(分布幅15nm),そしてtubulinの特定位置への結合(8nmの倍数)によると考えられる.KIF1Aの運動方向をきめる過程を捉えるために,微小管から解離していたKIF1A(おそらくADP結合状態)が微小管に結合する時の位置を測定したところ,平均プラス端方向に3nmの変位を示した.これらのことから,ADP結合状態のKIF1Aは微小管への方向性のある結合によって前進を行うのであろう.
蛍光性のCdSeナノ粒子は有機蛍光分子よりも蛍光を発する時間が長くかつ蛍光光度が強いことから、生命科学や医療分野への利用が注目されている。本研究では蛍光性ナノ粒子に対する細胞の反応を調べた.抗体を架橋した~10mmのCdSe粒子を白血球細胞が貪食する鮮明な像を長時間観察できた。この方法は単一分子の細胞内挙動の探索に威力を発揮するものと期待される

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】13,700千円 (直接経費: 13,700千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】10480175 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

1分子 / キネシン / 微小管 / ナノ計測 / 振動

【研究成果の概要】

細胞のしなやかで巧妙な運動はモータータンパク質の滑走運動や細胞骨格の重合脱重合により引き起こされると考えられている.この運動を人工的に作ることができれば,細胞運動の基本原理を抽出できるかも知れない.そこで我々は,動く部品として微小管上を滑走運動を行うキネシンを基本にして,これに人工的な物質を組み合わせて,生体内で起こっているような動きを再現できる"ナノマシン"の開発を試みた.実験では,411残基からなる双頭キネシンの末端にビオチン(BCCP)を付けた組み替え分子を発現精製し,これをアビジンをコートした直径0.2μmの蛍光ポリスチレンビーズに結合させた.ATP非存在下で,このキネシンビーズに蛍光標識された微小管をまぜ,ビーズーキネシン-微小管の複合体を作った.これにcaged-ATPを加え落射蛍光顕微鏡下で形態を観察したところ,複合体は十個程度のキネシンビーズに数本ないし数十本の微小管が結合した固まりを形成し,全体の直径が10μm程で微小管は細胞骨格を思わせるような網目状の構造をしていた.これに紫外線を照射してATPを光遊離させた後の複合体の運動を観察を行った結果,運動の基本は3種類に大別された.それらは,1.全体が広がる進展運動,2.縮む収縮運動,3.微小管が曲がる屈曲運動,であった.ここで,進展運動と収縮運動は様々な方向を向いた微小管間を挟んでいるビーズ上のキネシンが微小管を滑らせるために生じ,屈曲運動は微小管の滑り速度の異なる間でずれが起こり,微小管が曲げられたため生じたと考察できる.キネシンの微小管上を並進運動するだけの単純な運動機能で様々な運動を発現できる可能性が示された.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】9,300千円 (直接経費: 9,300千円)