生体分子モーター系における分子シンクロナイゼーションの解明

• Project/Area Number: 11167280
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 石渡 信一 早稲田大, 理工学部, 教授 (10130866)
• Project Period (FY): 1999 – 2002
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2002)
• Budget Amount: ¥26,100,000 (Direct Cost: ¥26,100,000); Fiscal Year 2002: ¥6,000,000 (Direct Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2001: ¥7,400,000 (Direct Cost: ¥7,400,000); Fiscal Year 2000: ¥7,400,000 (Direct Cost: ¥7,400,000); Fiscal Year 1999: ¥5,300,000 (Direct Cost: ¥5,300,000)
• Keywords: 分子間協調性 / 超分子システム / SPOC / アクチン・ミオシン相互作用 / 微小管・キネシン相互作用 / 筋原線維 / レーザー光ピンセット / 分子モーター / 心筋収縮系 / 自動振動

Research Abstract

SPOC(自発的振動収縮)は外部力学刺激に同調する:骨格筋筋原線維(ウサギ腸腰筋をグリセリン処理して調製;長さ数十μm、太さ数μm)の両端をガラス微小針に固定したのち、SPOC条件にし自発的な振動(SPOC)を生じさせる。一方のガラス針は柔らかく、これの撓みから発生張力とその振動を記録することができる。もう一方の硬い針にはピエゾ素子が装着されていて、任意の波形で筋原線維の長さを変えることができる。そこで、半筋節あたり10nm(分子モーターのサイズ)程度のステップで長さを急激に変動したところ、これにシンクロして全ての筋節が一斉に伸びること、したがって外部力学刺激に対して長さ振動がシンクロすることが分かった。しかも、自発的には振動していない条件(ATP、ADP、Pi共存、Caイオン非共存というSPOC溶液条件から無機リン酸Piイオンを除去し、ADPの添加によって収縮条件にしたもの)で硬い針を振動させたところ、これにシンクロして筋原線維が振動することも見出された。これらの結果は、分子モーターという力学酵素における力と酵素活性とのカップリングの本質を捉えたものと考えられる(論文準備中)。
キネシン分子モーターの"歩く"仕組み:我々が開発した温度パルス顕微鏡法を用いて、キネシンの歩行速度に対する温度の効果を従来の温度領域を越えて50℃まで測定し、このような高温においても短時間であれは酵素活性は正常に保たれていることが明らかになった。さらに、キネシンと微小管との1分子結合力を計測し、微小管のプラス端側に負荷を加える方がマイナス端側に負荷を加えるよりも破断力が小さいこと、その際の見かけのADP結合能が前者の方が大きいことが分かった。このことは、酵素活性が負荷の向きに依存することを意味し、キネシンという力学酵素の本質が明らかになった(論文準備中)。

Research Products

• [Publications] Kawaguchi, K., Ishiwata, S.: "Thermal activation of single kinesin molecules with temperature pulse microscopy"Cell Motil. Cytoskel.. 49. 41-47 (2001)
• [Publications] 岡野和宣: "DNAプローブアレイを用いたDNA断片回収"電気学会論文誌. 121-E. 181-186 (2001)
• [Publications] Fukuda, S. et al.: "Acidosis and inorganic phosphate enhance length dependence of tension generation in skinned rat cardiac muscle"J. Physiol.. 536. 153-160 (2001)
• [Publications] Fukuda, S. et al.: "Length dependence of tension generation in rat skinned cardiac muscle. Role of titin in the Frank-Starling mechanism of the heart"Circulation. 104. 1639-1645 (2001)
• [Publications] Fujita, H. et al.: "Elementary steps of the cross-bridge cycle in bovine myocardium with and without regulatory proteins"Biophys. J.. 82. 915-928 (2002)
• [Publications] Uemura, S. et al.: "Kinesin-microtubule binding depends on both nucleotide state and loading direction"Proc. Natl. Acad. Sci. USA.. (in press). (2002)
• [Publications] Yasuda,K. et al.: "Focal extraction of surface-bound DNA from a microchip using photo-thermal denaturation."Biotechniques. 28. 1006-1011 (2000)
• [Publications] Kawai,M. et al.: "Temperature change does not affect force between single active filaments and HMM from rabbit muscles."Biophys.J.. 78. 3112-3119 (2000)
• [Publications] Okano,K. et al.: "Position-specific release of DNA from a chip by using photo thermal denaturation."Sensors & Actuators. B64. 88-94 (2000)
• [Publications] Kawaguchi,K.& Ishiwata,S.: "Temperature dependence of force, velocity and processivity of single kinesin molecules."Biochem,Biophys.Res.Comm.. 272. 895-899 (2000)
• [Publications] Nishizaka,T. et al.: "Characterization of single actomyosin rigor bonds. -Load-dependence of lifetime and mechanical properties-"Biophys.J.. 79. 962-974 (2000)
• [Publications] Kawaguchi,K,& Ishiwata,S.: "Nucleotide-dependent single- to double -headed binding of Kinesin."Science. 291. 667-669 (2001)
• [Publications] Ishiwata,S. et al.: "Molecular Interactions of Actin(ed.by &.D.D.Thomas C.G.des Remedios)"Springer Verlag,Heidelberg. 269 (2000)
• [Publications] Fukuda, N. & Ishiwata, S.: "Effects of pH on spontaneous tinsson osulladion in skinnea bovine cardiac musde"Ptlugars Arch. - Em. J. Physiol.. 438. 125-132 (1999)
• [Publications] Kato, H. et al.: "Imaging of thermai sctivation of sctomyosin motors"Proc. Natl. Acrd. Sci. USA. 96. 9602-9606 (1999)
• [Publications] Fujita, H. & Ishiwata, S.: "Tropomyosin modulates pH dependence of isomedric tansion"B. sphys. J.. 77. 1540-1546 (1999)
• [Publications] Fukuda, N. et al.: "Effects of MgAPP on length dependinu of tansion generadion in skinned rat cardiac muscle"Circ. Res.. 86. e1-e6 (2000)
• [Publications] Yasuda, K. et al.: "Focal extraction of surface-bornd DNAs from a minochip using photo-thermal denathradon"BioTechnignes. (in press). (2000)
• [Publications] 石渡信一: "筋収縮滑り運動機構とトライボロジー"トライボロジスト. 45・2. 119-125 (2000)