Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

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

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

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

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。

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。

【研究分担者】
佐々木一夫	東北大学	工学研究科	学術研究員	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
茅元司	東京大学	大学院理学系研究科(理学部)	助教	(Kakenデータベース)
佐々木一夫	東北大学	工学研究科	教授	(Kakenデータベース)