軸索輸送モーターKIF5Aによる長距離輸送機構と疾患のクロススケール解析

• Project Area: New cross-scale biology
• Project/Area Number: 22H05523
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 丹羽 伸介 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 准教授 (30714985)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 軸索輸送 / ALS / KIF5A / キネシン / 微小管

Outline of Research at the Start

キネシンスーパーファミリーは細胞内輸送を担う分子モータータンパク質である。キネシンスーパーファミリーの中でもKIF5Aと呼ばれる分子に異常が起こり凝集すると筋萎縮性側索硬化症(ALS)と呼ばれる疾患が引き起こされる。健常人型のKIF5AであってもKIF5Aが複数集まった不定型の複合体が形成される傾向がある。本研究ではKIF5Aがなぜこのような不定型の複合体を形成するのかを細胞内での機能に着目して解析する。それに加え、KIF5Aがどのようにこの複合体を形成するのかをクライオ電子顕微鏡を用いた構造解析で明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

筋萎縮性側索硬化症(ALS)の原因となるKIF5A変異を精製したタンパク質を用いた生化学および細胞生物学の手法によって解析した。
KIF5Aは健常人型の場合は２量体の画分から溶出される。筋萎縮性側索硬化症型変異を導入するとKIF5Aの尾部にフレームシフトが起こり、異常なC末端が付加される。この筋萎縮性側索硬化症型KIF5Aは通常の２量体の画分ではなく、２量体以上の画分に溶出されることからオリゴマーを形成していることがわかった。このオリゴマー型KIF5Aは非常に高い活性を持っていることがわかった。
培養細胞内では筋萎縮性側索硬化症変異を持つKIF5Aは凝集を形成した。凝集の原因は筋萎縮性側索硬化症変異によって異常なC末端が付加されることによって生じることがわかった。実際、この異常なC末端部位のみを細胞に発現すると凝集を形成することが確認できた。次に筋萎縮性側索硬化症変異が健常人型の正常なKIF5Aの性質にも影響を与えるかどうかを解析した。その結果、筋萎縮性側索硬化症変異によって生じる凝集は筋萎縮性側索硬化症変異型KIF5Aのみならず健常人型のKIF5Aも巻き込むことが確認された。KIF5AはKIF5BおよびKIF5Cと呼ばれるアイソタイプが存在する。これら二つのKIF5アイソタイプもまたこの凝集に巻き込まれることがわかった。これらの実験より筋萎縮性側索硬化症型のKIF5A変異がおこるとKIF5AだけでなくKIF5BやKIF5Cといった他のキネシンも巻き込んで細胞に広範な影響を与える可能性が示唆された。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学デイビス校(米国)
• [Journal Article] Autoinhibition and activation of kinesin-1 and their involvement in amyotrophic lateral sclerosis (2024)
  • Author(s): Chiba Kyoko、Niwa Shinsuke
  • Journal Title: Current Opinion in Cell Biology Volume: 86 Pages: 102301-102301
  • DOI: 10.1016/j.ceb.2023.102301
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Insight into the regulation of axonal transport from the study of KIF1A-associated neurological disorder (2023)
  • Author(s): Chiba Kyoko、Kita Tomoki、Anazawa Yuzu、Niwa Shinsuke
  • Journal Title: Journal of Cell Science Volume: 136 Issue: 5
  • DOI: 10.1242/jcs.260742
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An ALS‐associated KIF5A mutant forms oligomers and aggregates and induces neuronal toxicity (2022)
  • Author(s): Nakano Juri、Chiba Kyoko、Niwa Shinsuke
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 27 Issue: 6 Pages: 421-435
  • DOI: 10.1111/gtc.12936
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Synergistic autoinhibition and activation mechanisms control kinesin-1 motor activity (2022)
  • Author(s): Chiba Kyoko、Ori-McKenney Kassandra M.、Niwa Shinsuke、McKenney Richard J.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 39 Issue: 9 Pages: 110900-110900
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.110900
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] CAMSAP2 organizes a γ-tubulin-independent microtubule nucleation centre through phase separation (2022)
  • Author(s): Imasaki T et al.,
  • Journal Title: eLife Volume: 11
  • DOI: 10.7554/elife.77365
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] De novo mutations in KIF1A-associated neuronal disorder (KAND) dominant-negatively inhibit motor activity and axonal transport of synaptic vesicle precursors (2022)
  • Author(s): Anazawa Yuzu、Kita Tomoki、Iguchi Rei、Hayashi Kumiko、Niwa Shinsuke
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Issue: 32
  • DOI: 10.1073/pnas.2113795119
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural model of microtubule dynamics inhibition by kinesin-4 from the crystal structure of KLP-12 ?tubulin complex (2022)
  • Author(s): Taguchi S et al.,
  • Journal Title: eLife Volume: 11
  • DOI: 10.7554/elife.77877
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynein intermediate chains DYCI‐1 and WDR‐60 have specific functions in Caenorhabditis elegans (2022)
  • Author(s): Higashida Maki、Niwa Shinsuke
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 28 Issue: 2 Pages: 97-110
  • DOI: 10.1111/gtc.12996
  • Peer Reviewed
• [Presentation] The FHA domain is essential for the autoinhibition of KIF1A (2023)
  • Author(s): Kyoko Chiba, Shinsuke Niwa
  • Organizer: Cell Bio 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Elucidation of KIF1A Associated Neurological Disorder(KAND) pathogenesis and the search for therapeutic target using C. elegans nerves (2023)
  • Author(s): Yuzu Anazawa, Shinsuke Niwa
  • Organizer: Cell Bio 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Activation of KIF1A/UNC-104 motor and its involvement in synaptogenesis and neurological disorders (2023)
  • Author(s): Shinsuke Niwa
  • Organizer: Cytoskeleton in Neuron and Glia
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Increased and Decreased axonal transport of synaptic precursors is associated with neurological disorders (2023)
  • Author(s): Shinsuke Niwa
  • Organizer: Tohoku Neurotech Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] KIF5A遺伝子の変異がALSを起こすメカニズム (2023)
  • Author(s): 丹羽伸介
  • Organizer: 日本解剖学会