Mechanisms of actin polymerization, ATP hydrolysis, and filament severing revealed by F-form crystal structures

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K14708
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 武田 修一 名古屋大学, 理学研究科, 研究員 (50509081)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 構造生物学 / アクチン / X線結晶構造解析 / フラグミン / ゲルゾリン

Outline of Annual Research Achievements

アクチンは、ATP結合クレフトをはさむ二つの大きなドメインからなる。らせん状のアクチン繊維の形成時にはドメインが回転し、捻れの少ない平板化したF型アクチン構造をとる（Oda, Nature, 2009）。近年の電子顕微鏡技術の発展によって、3.6オングストローム分解能のアクチン繊維構造が明らかとなり、繊維中のアクチン分子間の相互作用様式がわかってきた（von der Ecken, Nature, 2016）。しかし、重合に伴うATP加水分解機構や、なぜADP繊維はATP繊維よりも不安定で脱重合しやすいのか、といったアクチンの基本的な特性の理解には至っていない。このためには、F型アクチンの構造を、異なるヌクレオチド状態で、なおかつリガンド位置を確定できる原子分解能で決定することが必須である。

これまでにゲルゾリンファミリータンパク質の一種であるフラグミンの全長タンパク質と、アクチン2分子の複合体の結晶構造を、2.3オングストローム分解能で決定することに成功している。さらにフラグミンの三つのドメインの内の最もN末端側ドメイン（ドメイン１）との複合体の形で、高分解能のF型アクチン結晶構造（分解能1.2オングストローム）の決定に成功した。それぞれについて各種ヌクレオチド結合型（AMPPNP, ADP-Pi, ADP）構造を取得した。これらの構造から、繊維重合やATPaseなどアクチンの基本的性質について重要な知見が得られた。この成果をまとめた論文は現在投稿準備中である。

また本年度には新たにアクチンと結合していないフラグミンのドメイン2-3の結晶構造を1.9オングストロームで決定した。この構造から、フラグミンのアクチン繊維切断メカニズムについての新たな知見が得られた。この成果をまとめた論文は現在投稿中である。

Research Products

• [Journal Article] Polymerization and depolymerization of actin with nucleotide states at filament ends (2018)
  • Author(s): Ikuko Fujiwara, Shuichi Takeda, Toshiro Oda, Akihiro Narita, Hajime Honda, and Yuichiro Maeda
  • Journal Title: Biophys Rev Volume: 10 Pages: 1513-1519
  • DOI: 10.1007/s12551-018-0483-7
  • Peer Reviewed
• [Presentation] BL2S1を利用したX線結晶構造解析から明らかとなったアクチン重合・ATP加水分解機構 (2019)
  • Author(s): 武田修一、成田哲博、小田俊郎、小池亮太郎、森次圭、太田元規、兼松佑典、藤原郁子、田中康太郎、永江峰幸、渡邉信久、前田雄一郎
  • Organizer: 第8回名古屋大学シンクロトロン光研究センターシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Atomic resolution structures of F‐form actin: mutual switching between G/F transition and ATPase (2018)
  • Author(s): Shuichi Takeda, Akihiro Narita, Toshiro Oda, Nobuhisa Watanabe, Takayuki Nagae, Motonori Ota, Ryotaro Koike, Kei Moritsugu, Yusuke Kanematsu, Ikuko Fujiwara, Kotaro Tanaka, Yuichiro Maeda
  • Organizer: The 47th European muscle conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The structure of F-form actin at atomic resolutions: mutual switching between polymorphic transition and ATPase (2018)
  • Author(s): Shuichi Takeda, Akihiro Narita, Toshiro Oda, Nobuhisa Watanabe, Y, Takayuki Nagae, Motonori Ota, Ryotaro Koike, Kei Moritsugu, Yusuke Kanematsu, Ikuko Fujiwara, Kotaro Tanaka, Yuichiro Maeda
  • Organizer: Myofilament conference 2018
  • Int'l Joint Research