１分子リフォールディング実験によるミオグロビンの天然ー変性状態の揺らぎの解析

• Project Area: Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
• Project/Area Number: 23107711
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Japan Advanced Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 川上 勝 北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 准教授 (70452117)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2012: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2011: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: ミオグロビン / １分子測定 / メカニカルアンフォールディング / リフォールディング / 原子間力顕微鏡 / 1分子計測 / フォールディング

Outline of Annual Research Achievements

２４年度は、２３年度に引き続き、ミオグロビンのホロ体に対し、１分子力学測定（メカニカルアンフォールディング）実験を行い、ミオグロビンをＮ末、Ｃ末方向から引っ張る事で、分子の力学安定性を調べ、さらに、メカニカルアンフォールディングがどの様に進行するかを調べた。３００余りのアンフォールディングデータを調べた結果、ホロ体のミオグロビンは、張力に対し、まずその全体構造を３０ｐＮ程度の張力までは保持し、その後、一斉に構造が壊れる、すなわちアンフォールディングピークが一度のみ出現する場合に加えて、第二、第三のアンフォールディングピークを伴う、すなわち構造は一度に全て壊れるのではなく、いくつかの中間体を経てメカニカルアンフォールディングが頻繁に起こる事を発見した。これらは、ミオグロビンのアンフォールディング経路が同時に複数存在することを示している。ミオグロビンがこのように複数の経路を取る事が出来る理由として、ミオグロビンの天然状態が、いくつかの準安定状態間を揺らいでおり、それぞれの状態に関して経路が決まっているためではないかと考えられる。さらには、この経路には、ヘムとの相互作用が大きく関わっている事が示唆される。
次にホロ体のメカニカルアンフォールディング実験を進展させ、グロビン鎖を引っ張って壊す事でヘムを一旦解離させ、張力を緩めて再びミオグロビンをリフォールディングさせるという実験を行う事で、ミオグロビンのアポ体のメカニカルアンフォールディング実験を実現した。その結果、アポ体のアンフォールディング経路はホロ体とは異なり、中間体を経ない、協同的なアンフォールディングのみであることを見出した。つまりヘムとの相互作用を失った状態の分子は、アンフォールディング中間体を経ずに壊れる事が分かり、上述の仮説を強く支持する結果が得られた。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Mechanical Unfolding Studies of Protein Molecules (2012)
  • Author(s): Yukinori Taniguchi, Akiko Kobayashi and Masaru Kawakami
  • Journal Title: BIOPHYSICS Volume: 8 Issue: 11 Pages: 51-58
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0049003
  • NAID: 130002061597
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Prying open single GroES ring complexes by force reveals co-operativity across domains (2012)
  • Author(s): Akiko Ikeda-Kobayashi, Yukinori Taniguchi, David J.Brockwell, Emanuele Paci, Isao Sakane, Yasushi Kawata, Masaru Kawakami
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 102 Issue: 8 Pages: 1961-1968
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2012.03.046
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recent advances in single-molecule biophysics with the use of Atomic Force Microscopy (2012)
  • Author(s): Masaru Kawakami and Yukinori Taniguchi
  • Journal Title: Advances in Chemical Physics Volume: 146 Pages: 89-132
  • DOI: 10.1002/9781118131374.ch5
• [Journal Article] Mechanical unfolding studies of protein molecules (2012)
  • Author(s): Taniguchi, Yukinori; Kobayashi, Akiko; Kawakami, Masaru
  • Journal Title: BIOPHYSICS Volume: 8 Pages: 51-58
  • DOI: 10.2142/biophysics.8.51
  • NAID: 130002061597
  • ISSN: 1349-2942
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Cutting Edge of Mechanical Unfolding Research: What We Learn from Protein Pulling Studies (2011)
  • Author(s): 谷口, 幸範; 小林, 亜紀子; 川上, 勝
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 51 Issue: 4 Pages: 168-173
  • DOI: 10.2142/biophys.51.168
  • NAID: 10029140069
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Mechanical Unfolding Pathways of Holo-myoglobin Explored by AFM-based Single Molecule Force Spectroscopy (2012)
  • Author(s): Yoshida Aya and Masaru Kawakami
  • Organizer: Indo-Japan Joint Workshop on “Recent Advances in Spectroscopy and Microscopy: Fundamentals and Applications to Materials and Biology”
  • Place of Presentation: ハイデラバード、インド
  • Year and Date: 2012-11-20
  • Invited
• [Presentation] Mechanotransduction uncovered by single molecule force spectroscopy (2012)
  • Author(s): Masaru Kawakami
  • Organizer: 7th international Conference on High Pressure Bioscience and Biotechnology
  • Place of Presentation: 大津
  • Year and Date: 2012-10-30
• [Presentation] AFMを用いたホロミオグロビンの一分子力学計測によるアンフォールディング経路の探索 (2012)
  • Author(s): 吉田文、川上勝
  • Organizer: 第50回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2012-09-22
• [Presentation] 生体分子の1分子ダイナミクス測定 (2011)
  • Author(s): 川上勝
  • Organizer: ATIバイオSPM研究会
  • Place of Presentation: リゾーピア熱海(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-28
• [Presentation] 1分子動的力学測定法によるタンパク質分子の生物学的機能の探索 (2011)
  • Author(s): 川上勝
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第67回学術講演会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場(招待講演)
  • Year and Date: 2011-05-16
• [Book] Single-Molecule Biophysics: Experiment and Theory, Volume 146 (2012)
  • Author(s): T. Komatsuzaki, M. Kawakami, S. Takahashi, H. Yang , R. J. Silbey, S. A. Rice, A. R. Dinner
  • Total Pages: 300
  • Publisher: John Wiley Sons Inc.
• [Book] Single-Molecule Bophysics Advances in Chemical Physics Series vol.146 (2012)
  • Author(s): Masaru Kawakami(共著)
  • Publisher: John Wiley & Sons Inc.
• [Remarks]
  • URL: http://www.jaist.ac.jp/ms/labo/kawakamim.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.jaist.ac.jp/profiles/info.php?profile_id=00486