生体内に近いダブレット微小管の原子モデルの構築

• 研究課題/領域番号: 20K15733
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分43020:構造生物化学関連
• 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): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2020年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
• キーワード: ダイニン / 繊毛 / クライオ電子顕微鏡法 / モータータンパク質 / クライオ電顕 / X線結晶構造解析 / 微小管 / クライオ電子顕微鏡

研究開始時の研究の概要

繊毛の基本構造であるダブレット微小管は、そのチューブリン格子の内側及び外側に多くのタンパク質が結合している。近年、繊毛のダブレット微小管のチューブリン格子構造とその内側に結合したタンパク質の近原子分解能の立体構造が得られたが、その原子モデルは未だ得られていない。また、ダブレット微小管の外側に結合しているタンパク質の構造は低分解能でしか得られていない。そこで、本研究では、外側のタンパク質複合体を保持した、より生体内の状態に近いダブレット微小管の構造を、クライオ電子顕微鏡法や、X線結晶構造解析などの手法を用いて原子分解能で得ることで、その構築・機能についての知見を得る。

研究成果の概要

繊毛は細胞の運動を駆動する細い毛のような構造である。繊毛内には9本のダブレット微小管が存在しており、モータータンパク質である軸糸ダイニンが周期的に結合している。軸糸ダイニンのうち外腕ダイニンは繊毛の運動を引き起こす主要なモーターである。外腕ダイニンは多くのサブユニットから構成されている複合体であるが、ダブレット微小管に結合した外腕ダイニンの構造の詳細はわかっていなかった。本研究では、クライオ電子顕微鏡法を用いてダブレット微小管に結合した外腕ダイニン複合体のサブユニット構造を明らかにした。さらに繊毛に組み込まれる前の不活性な外腕ダイニンの構造と比較することで、その活性化機構も明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

繊毛は、ヒトの体内のほぼ全ての細胞に存在しており、繊毛タンパク質の異常は、内蔵逆位や不妊などヒトにおける繊毛病の症状を引き起こすことも知られている。そのため、繊毛の運動機構の理解は重要な課題である。本研究において繊毛内の外腕ダイニンの立体構造及び活性化機構を解明できたことは、これらの繊毛病の病態の理解に重要な基盤となる。また、本研究において明らかになった外腕ダイニンの高分解能の構造は、今後、外腕ダイニンを改変し、新たなナノデバイスを開発することにも応用できるだろう。

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] Remodeling and activation mechanisms of outer arm dyneins revealed by cryo‐EM (2021)
  • 著者名/発表者名: Kubo Shintaroh、Yang Shun Kai、Black Corbin S、Dai Daniel、Valente-Paterno Melissa、Gaertig Jacek、Ichikawa Muneyoshi、Bui Khanh Huy
  • 雑誌名: EMBO reports 巻: 22 号: 9
  • DOI: 10.15252/embr.202152911
  • 査読あり / 国際共著
• [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
• [学会発表] クライオ電顕で明らかになった外腕ダイニンの構造変化と活性化機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: Kubo Shintaroh、Yang Shun Kai、Black Corbin S、Dai Daniel、Valente-Paterno Melissa、Gaertig Jacek、Ichikawa Muneyoshi、Bui Khanh Huy
  • 学会等名: 第59会生物物理学会年会
• [学会発表] Remodeling and activation mechanisms of the outer arm dynein complex. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kubo Shintaroh、Yang Shun Kai、Black Corbin S、Dai Daniel、Valente-Paterno Melissa、Gaertig Jacek、Ichikawa Muneyoshi、Bui Khanh Huy
  • 学会等名: Dynein 2021
  • 国際学会
• [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