水和状態の変化に伴う鞭毛外腕ダイニンモーターの活性変調

• Project Area: Water plays a key role in ATP hydrolysis and ATP-driven functions of proteins
• Project/Area Number: 23118706
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 八木 俊樹 東京大学, 医学(系)研究科(研究院), 講師 (40292833)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2012: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2011: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 水和 / 鞭毛・繊毛 / ダイニン / 微小管 / 軸糸 / 鞭毛 / ATP

Research Abstract

真核生物の繊毛運動の基礎はモーター蛋白質・ダイニンによる微小管の滑り運動である。ダイニンの活性は繊毛の中心構造（中心小管・スポーク）により制御されると考えられているが、その機構の詳細はわかっていない。繊毛中心構造を欠失したクラミドモナス変異株は屈曲運動できないが、最近私たちは、繊毛蛋白質の水和状態を変化させるとその変異株に屈曲運動が誘導されることを見出した。私たちは、屈曲開始には適切な大きさの軸糸直径が重要であるとする仮説を提出している。すなわち、繊毛中心構造を欠失すると軸糸直径が変調されて屈曲運動が生じないが、水和状態を変化させると変異株の直径が野生株並みに回復して屈曲運動が誘導されると考えた。本研究では、この仮説を検証するために、屈曲の開始前後にそのような軸糸直径変化が生じるかをX線繊維回折により調べた。その結果、 変異株の直径はATP 存在下に野生株に比べて 2-3 nm 小さいこと、変異株の屈曲誘導条件では直径が 1 nm 程度広がることがわかった。一方、ダイニン制御複合体（DRC) と呼ばれる構造の欠損株では ATP 存在下に野生株よりも直径が 3-4 nm 大きく、中心構造欠失株とは逆の変化を示すことも明らかとなった。DRC 変異株はサプレッサー変異株と呼ばれるものの一つであり、中心構造欠失株との二重変異株では繊毛の運動性が回復する。運動能をもつ二重変異株の軸糸直径を測定したところ、直径は中心構造欠失株のものよりも大きく野生株と同程度であることが分かった。以上の結果は、屈曲運動の開始には最適なダイニン・微小管相互作用距離（直径）があることを強く示唆している。DRC は軸糸微小管同士をつなぐ架橋因子であることが電子顕微鏡による解析から示唆されている。DRC は軸糸直径を縮める機能をもち、繊毛中心構造と拮抗してダイニン・微小管相互作用を制御しているものと考えられた。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Mechanosignaling between central apparatus and radial spokes controls axonemal dynein activity. (2014)
  • Author(s): Oda T, Yanagisawa H, Yagi T, Kikkawa M.
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 204 Issue: 5 Pages: 807-819
  • DOI: 10.1083/jcb.201312014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] TTC26/DYF13 is an intraflagellar transport protein required for transport of motility-related proteins into flagella. (2014)
  • Author(s): Ishikawa H, Ide T, Yagi T, Jiang X, Hirono M, Sasaki H, Yanagisawa H, Wemmer KA, Stainier DY, Qin H, Kamiya R, Marshall WF.
  • Journal Title: Elife. Volume: 3 Pages: 1-24
  • DOI: 10.7554/elife.01566
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The MIA complex is a conserved and novel dynein regulator essential for normal ciliary motility (2013)
  • Author(s): Yamamoto,R. et al.
  • Journal Title: J.Cell Biol. Volume: 201 Issue: 2 Pages: 263-278
  • DOI: 10.1083/jcb.201211048
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of the outer-inner dynein linker as a hub controller for axonemal dynein activities. (2013)
  • Author(s): Oda T, Yagi T., H. Yanagisawa, Kikkawa M.
  • Journal Title: Curr. Biol. Volume: 23 Issue: 8 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1016/j.cub.2013.03.028
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ishikawa T. Molecular architecture of the whole Chlamydomonas axoneme reveals high degrees of polarity and asymmetry in the arrangements of dynein and related structures. (2012)
  • Author(s): Bui KH, Yagi T, Yamamoto R, Kamiya R
  • Journal Title: J Cell Biol. Volume: 198 Issue: 5 Pages: 913-25
  • DOI: 10.1083/jcb.201201120
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tubulin polyglutamylation regulates flagellar motility by controiling a specific inner-arm dynein that interacts with the dynein regulatory complex (2012)
  • Author(s): Tomohiro Kubo, Toshiki Yagi, Ritsu Kamiya
  • Journal Title: Cytoskeleton Volume: 69 Issue: 12 Pages: 1059-1068
  • DOI: 10.1002/cm.21075
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cilia dysmotility and left-right axis defects due to mutations in axonemal dynein assembly factor PF22 (DNAAF3) in primaryciliary dyskinesia. (2012)
  • Author(s): Mitchison HM, Schmidts Metal
  • Journal Title: Nature Genetics Volume: 44 Issue: 4 Pages: 381-9
  • DOI: 10.1038/ng.1106
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A unified taxonomy for ciliary dyneins. (2011)
  • Author(s): Hom EFY, Witman GB, Harris EH, Dutcher SK, Kamiya R., Mitchell DR, Pazour GJ, Porter ME, Sale WS, Wirchell M., Yagi T., King SM.
  • Journal Title: Cytoskeleton Volume: 68 Issue: 10 Pages: 555-65
  • DOI: 10.1002/cm.20533
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Regulation of dynein motor activity through the change of axoneme diameter (2013)
  • Author(s): Toshiki Yagi, Yusuke Fujita, Masayoshi Nishiyama, Shinji Kamimura, and Hiroyuki Iwamoto
  • Organizer: Internatinal Wrokshop: Dynein 2013
  • Place of Presentation: Kobe, Japan
  • Invited
• [Presentation] 鞭毛中心構造による軸糸直径調節を通じたダイニンの活性制御機構 (2013)
  • Author(s): 八木 俊樹, 藤田 洋介, 上村 慎治, 岩本 裕之
  • Organizer: 日本生物物理学会第51回大会
  • Place of Presentation: 京都国際会議場
• [Presentation] Protein complex required for the formation of microtubule square lattice in green tree frog sperm (2012)
  • Author(s): Toshiki Yagi, Toshie Takahashi, Hiroshi Kubota, Masahide Kikkawa
  • Organizer: 日本細胞生物学会第64回大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会館
• [Presentation] Resurrection of flagellar bending movements in chlamydomonas paralyzed mutants at high pressure (2012)
  • Author(s): Toshiki Yagi, Masayoshi Nishiyama
  • Organizer: 日本生物物理学会第50回大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] Communication between Flagellar Outer and Inner Dynein Arms (2011)
  • Author(s): Oda T., Yagi T., Kikkawa M.
  • Organizer: ASCB annual meeting
  • Place of Presentation: Denver, Cololado, USA
  • Year and Date: 2011-12-05