微小管内タンパク質のチューブリン格子構造構築への影響の解明

• 研究課題/領域番号: 19K23726
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0701:分子レベルから細胞レベルの生物学およびその関連分野
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 市川 宗厳 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (80844662)
• 研究期間 (年度): 2019-08-30 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 繊毛 / ダブレット微小管 / 微小管内タンパク質 / クライオ電子顕微鏡 / X線結晶構造解析 / 微小管

研究開始時の研究の概要

繊毛・鞭毛は細胞の運動器官である。繊毛・鞭毛はヒトの体内においても重要な機能を担っており、繊毛タンパク質の異常は繊毛病などの病態の原因ともなる。繊毛・鞭毛の軸となるダブレット微小管の内部には、微小管内タンパク質が結合しているが、その実体、そしてその機能の理解は不十分であった。本研究では、これらのタンパク質を同定するとともに、X線結晶構造解析・クライオ電子顕微鏡法などの構造解析手法を用いることで、微小管内タンパク質がどのように繊毛・鞭毛のダブレット微小管を安定化しているかを明らかとする。

研究成果の概要

繊毛由来のダブレット微小管の立体構造をクライオ電子顕微鏡を用いて高分解能で明らかにすることで、その内部の微小管内タンパク質の構造の詳細を明らかにした。微小管内タンパク質を一部失ったチューブリン格子と比較することで、微小管内タンパク質がチューブリン格子を安定な伸長型の構造に固定することがわかった。また、プロトフィラメント間の角度を変化させることもわかった。質量分析によってこれらの構造に対応するタンパク質についても複数同定し、そのX線結晶構造についても得た。また、チューブリンとの共重合の結果から、微小管内タンパク質が内側からチューブリン格子構造の構築に与える影響について明らかにすることができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

繊毛はヒトの体内においても多彩な機能を担う重要な構造体である。気管の上皮でウイルスなどの異物を除去するなど重要な機能を担っている。繊毛は１秒間に数十回波打つために安定かつしなやかな性質をもつが、繊毛がどのようにしてこのような特性を得ているかはわかっていなかった。本研究では、繊毛内のダブレット微小管がどのようにして安定化されるかを初めて示すことができた。これは、ヒトの繊毛病の病態が引き起こされる機構の理解や、将来的にはその治療にも応用できる可能性のある重要な知見である。

研究成果

• [国際共同研究] McGill大学(カナダ)
• [国際共同研究] McGill大学(カナダ)
• [雑誌論文] Crystal structure of human PACRG in complex with MEIG1 reveals roles in axoneme formation and tubulin binding (2021)
  • 著者名/発表者名: Nimra Khan, Dylan Pelletier, Thomas S. McAlear, Nathalie Croteau, Simon Veyron, Andrew N. Bayne, Corbin Black, Muneyoshi Ichikawa, Ahmad Abdelzaher Zaki Khalifa, Sami Chaaban, Igor Kurinov, Gary Brouhard, Susanne Bechstedt, Khanh Huy Bui, Jean-Francois Trempe
  • 雑誌名: Structure 巻: 29 号: 6 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1016/j.str.2021.01.001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 繊毛ダイニン軽鎖と重鎖微小管結合部位の複合体構造―見えてきた軽鎖LC1の役割― (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshiki Yagi, Akiyuki Toda, Muneyoshi Ichikawa, Genji Kurisu
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 61 号: 1 ページ: 020-022
  • DOI: 10.2142/biophys.61.020
  • NAID: 130007976664
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification and mapping of central pair proteins by proteomic analysis (2020)
  • 著者名/発表者名: Daniel Dai, Muneyoshi Ichikawa, Katya Peri, Reid Rebinsky, Khanh Huy Bui
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 17 号: 0 ページ: 71-85
  • DOI: 10.2142/biophysico.bsj-2019048
  • NAID: 130007879483
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The inner junction complex of the cilia is an interaction hub that involves tubulin post-translational modifications (2020)
  • 著者名/発表者名: Khalifa Ahmad Abdelzaher Zaki、Ichikawa Muneyoshi、Dai Daniel、Kubo Shintaroh、Black Corbin Steven、Peri Katya、McAlear Thomas S、Veyron Simon、Yang Shun Kai、Vargas Javier、Bechstedt Susanne、Trempe Jean-Francois、Bui Khanh Huy
  • 雑誌名: eLife 巻: 9 ページ: 1-25
  • DOI: 10.7554/elife.52760
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tubulin lattice in cilia is in a stressed form regulated by microtubule inner proteins (2019)
  • 著者名/発表者名: Ichikawa Muneyoshi、Khalifa Ahmad Abdelzaher Zaki、Kubo Shintaroh、Dai Daniel、Basu Kaustuv、Maghrebi Mohammad Amin Faghfor、Vargas Javier、Bui Khanh Huy
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 116 号: 40 ページ: 19930-19938
  • DOI: 10.1073/pnas.1911119116
  • NAID: 120006723245
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] How Rib43a and Acetylation of K40 control the rigidity of Microtubules (2021)
  • 著者名/発表者名: Shintaroh Kubo, Ahmad Khalifa, Muneyoshi Ichikawa, Daniel Dai, Corbin Black, Katya Peri, Shun Kai Yang, Jaiver Vargas, Khanh-Huy Bui
  • 学会等名: 65th Biophysical Society Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Remodeling and activation mechanisms of outer arm dynein revealed by cryo-EM (2021)
  • 著者名/発表者名: Muneyoshi Ichikawa
  • 学会等名: 18th BSCB GenSoc UK Cilia Network e-symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] How Rib43a and Acetylation of K40 control the rigidity of Microtubules (2020)
  • 著者名/発表者名: Shintaroh Kubo, Ahmad Khalifa, Muneyoshi Ichikawa, Daniel Dai, Corbin Black, Katya Peri, Shun Kai Yang, Jaiver Vargas, Khanh-Huy Bui
  • 学会等名: EMBO WORKSHOP
  • 国際学会
• [学会発表] ダブレット微小管上での外腕ダイニンの高分解能構造 (2020)
  • 著者名/発表者名: 市川宗厳
  • 学会等名: 第10回分子モーター討論会
• [学会発表] Cryo-EM revealed unique and diverse binding schemes of the microtubule inner proteins at the inner junction region of cilia (2020)
  • 著者名/発表者名: Muneyoshi Ichikawa, Ahmad Khalifa, Daniel Dai, Shintaroh Kubo, Corbin Black, Katya Peri, Thomas McAlear, Simon Veyron, Shun Kai Yang, Javier Vargas, Susanne Bechstedt, Jean-Francois Trempe, Khanh Huy Bui
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Characterization of properties of microtubule inner protein FAP85. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshitoki Shibao, Corbin Black, Muneyoshi Ichikawa, Junya Kirima, Kazuhiro Oiwa, Khanh Huy Bui, Tomoya Tsukazaki
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
• [学会発表] クライオ電顕によるダブレット微小管の近原子分解能構造 (2020)
  • 著者名/発表者名: Muneyoshi Ichikawa, Ahmad Khalifa, Daniel Dai, Shintaroh Kubo, Corbin Black, Katya Peri, Thomas McAlear, Simon Veyron, Shun Kai Yang, Javier Vargas, Susanne Bechstedt, Jean-Francois Trempe, Khanh Huy Bui
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会 第76回学術講演会 日本－カナダ 二国間交流シンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The inner junction complex of the cilia is an interaction hub that involves tubulin post-translational modifications. (2020)
  • 著者名/発表者名: Khalifa Ahmad Abdelzaher Zaki、Ichikawa Muneyoshi、Dai Daniel、Kubo Shintaroh、Black Corbin Steven、Peri Katya、McAlear Thomas S、Veyron Simon、Yang Shun Kai、Vargas Javier、Bechstedt Susanne、Trempe Jean-Francois、Bui Khanh Huy
  • 学会等名: 64th Biophysical Society Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 微小管内タンパク質によるチューブリン格子構造の内側からの制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 市川 宗厳 , Khalifa Ahmad Abdelzaher Zaki , 久保 進太郎 , Basu Kaustuv, Daniel Dai , Amin Maghrebi , Javier Vargas , Bui Khanh Huy
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Microtubule Inner Proteins Weave Into The Doublet Microtubule Tubulin Lattice (2019)
  • 著者名/発表者名: Ichikawa Muneyoshi、Khalifa Ahmad Abdelzaher Zaki、Kubo Shintaroh、Dai Daniel、Basu Kaustuv、Maghrebi Mohammad Amin Faghfor、Vargas Javier、Bui Khanh Huy
  • 学会等名: 2019 ASCB|EMBO Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Identifying and Mapping the Protein Composition of the Central Pair Apparatus through Proteomics (2019)
  • 著者名/発表者名: Dai Daniel , Ichikawa Muneyoshi , Peri Katya, Rebinsky Reid, Bui Khanh Huy
  • 学会等名: 2019 ASCB|EMBO Meeting
  • 国際学会
• [備考] プレスリリース
  • URL: http://www.naist.jp/pressrelease/2019/09/006167.html