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分子モーターの適応進化機構の理論的解明とそれを応用した高機能化デザイン

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ0505
補助金の研究課題番号 21J00021 (2021-2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2021-2022)
応募区分国内
審査区分 小区分43040:生物物理学関連
研究機関東京大学

研究代表者

久保 進太郎  東京大学, 大学院医学系研究科, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
キーワード分子動力学計算 / シミュレーション / 分子モーター / ダイニン / キネシン / FoF1 ATPase / 一分子計測
研究開始時の研究の概要

トラック運転手が仕事をしないと我々の生活は困ってしまう。遠い距離なら飛行機にも頑張ってもらいたい。このように物質輸送は生きていく上で必要不可欠である。細胞にとっても、細胞内輸送は機能維持に重要だ。私は細胞内輸送を担う分子がどのように機能しているのかについて理論的に解析する。また、大きな細胞を持つキリンの輸送分子はマウスよりも高速運動する事が知られている。高速運動機構を解明し、さらに高速化するデザインを行う。輸送分子が機能しなくなることでアルツハイマー病やALSなど神経疾患にも繋がるので、輸送分子の運動機構解明、及び、高速運動デザインはこれらの病気の解決策をつかむ手がかりとなることが期待される。

研究実績の概要

分子モーターの理論的な合理デザインを目指して、特に微小管上を運動するダイニンとキネシンに注目した。本研究では、既に高分解能の構造が獲得されていた細胞質ダイニンについて先に取り組む事となった。ダイニンの分子内構造変化や二足歩行様式について、私の先行研究で既にある程度明らかにしていたが、本研究に取り組むことで、ダイニンのみならず、その歩行運動の土台となる微小管からの影響についても深く考察する機会を得た。ダイニンの運動において、その主たる力発生はAAA1というドメインのATP加水分解によって実現されるが、このAAA1と微小管は約25nmも離れており、その運動に微小管の構造状態がどのように影響するのかは未知な部分も多く存在していた。分子動力学計算やモンテカルロ計算など理論的な手法を用いることで、実験では観察困難な時空間分解能で運動を表現・解析することが出来た。また、観察対象は微小管上を運動するモーターに留まらない。特に、膜タンパク質であるFoF1 ATPaseに関して、その運動機構解明はもちろんのこと、仮想的にFo構造の回転対称性を複数設定し、それらの機能検証を理論的に行なった。これは、実験ではまだ確認されていない事象の表現と実験であり、私が行いたい分子モーターの合理デザインの第一歩となった。F1モーターは多くの種で3回対称性を有する。その一方で、Foモーターは種によって、8~20、それ以上の幅広い回転対称性を有する。この対称性の違いは膜電位など環境によるプロトン駆動力の違いをうまく反映していると考えられているがその具体的な検証はなされていない。その大きな理由の一つが、まだ、10回対称のFoモーター以外の構造があまり獲得されていないためだ。幅広く、そして実験では観測困難な対象について、計算機実験によるアプローつが有用であることも確認することが出来た。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 3件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 8件)

  • [国際共同研究] McGill University/Montreal University(カナダ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] McGill University(カナダ)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Identification of OPTN p.(Asn51Thr): A novel pathogenic variant in primary open-angle glaucoma2024

    • 著者名/発表者名
      Shiga Yukihiro、Hashimoto Kazuki、Fujita Kosuke、Maekawa Shigeto、Sato Kota、Kubo Shintaroh、Kawase Kazuhide、Tokumo Kana、Kiuchi Yoshiaki、Mori Sotaro、Nakamura Makoto、Iwata Takeshi、Nishiguchi Koji M.、Nakazawa Toru
    • 雑誌名

      Genetics in Medicine Open

      巻: 2 ページ: 100839-100839

    • DOI

      10.1016/j.gimo.2023.100839

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] The ATPase asymmetry: Novel computational insight into coupling diverse FO motors with tripartite F12024

    • 著者名/発表者名
      Kubo Shintaroh、Okada Yasushi
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: - 号: 6 ページ: 891-900

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2024.03.013

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Native doublet microtubules from Tetrahymena thermophila reveal the importance of outer junction proteins2023

    • 著者名/発表者名
      Kubo Shintaroh、Black Corbin S.、Joachimiak Ewa、Yang Shun Kai、Legal Thibault、Peri Katya、Khalifa Ahmad Abdelzaher Zaki、Ghanaeian Avrin、McCafferty Caitlyn L.、Valente-Paterno Melissa、De Bellis Chelsea、Huynh Phuong M.、Fan Zhe、Marcotte Edward M.、Wloga Dorota、Bui Khanh Huy
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41467-023-37868-0

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] FO-F1 coupling and symmetry mismatch in ATP synthase resolved in every FO rotation step2023

    • 著者名/発表者名
      Kubo Shintaroh、Niina Toru、Takada Shoji
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 122 号: 14 ページ: 2898-2909

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2022.09.034

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Regulatory mechanisms of the dynein-2 motility by post-translational modification revealed by MD simulation2023

    • 著者名/発表者名
      Kubo Shintaroh、Bui Khanh Huy
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 号: 1 ページ: 1-11

    • DOI

      10.1038/s41598-023-28026-z

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] MD simulations revealed how post-translational modification regulates dynein-2 motility2023

    • 著者名/発表者名
      Shintaroh Kubo
    • 学会等名
      第49回内藤カンファレンス
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Native doublet microtubules from Tetrahymena thermophila reveal the importance of outer junction proteins2023

    • 著者名/発表者名
      Shintaroh Kubo
    • 学会等名
      EBSA2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular dynamics simulation of proton-transfer coupled rotations in ATP synthase Fo motor2023

    • 著者名/発表者名
      Shintaroh Kubo
    • 学会等名
      TACC2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 粗視化MD計算を用いたFOF1 ATPaseのFOモーターとF1モーターの回転対称性のミスマッチに関する理論研究2023

    • 著者名/発表者名
      Shintaroh Kubo
    • 学会等名
      第61回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 鞭毛内輸送を行うダイニンがどのように歩行する微小管を選択するのかに関する粗視化MD研究2022

    • 著者名/発表者名
      久保進太郎, カーンフイブイ
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会 2022年9月28日
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] How post-translational modification of tubulins controlled dynein-2 (IFT train) motility revealed by coarse-grained MD simulation2022

    • 著者名/発表者名
      Shintaroh Kubo, Khanh Huy Bui
    • 学会等名
      Cytoskeletal Motors, Gordon Research Conference
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] POST-TRANSLATIONAL MODIFICATION OF MICROTUBULES CAN CONTROL DYNEIN-2'S ABILITY TO WALK ON A-TUBULES2022

    • 著者名/発表者名
      久保進太郎, カーンフイブイ
    • 学会等名
      Biophysics at the Dawn of Exascale Computers thematic meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] THE THEORETICAL STUDY OF DYNEIN MOTILITY REGULATED BY TUBULIN POST TRANSLATIONAL MODIFICATION2022

    • 著者名/発表者名
      Shintaroh Kubo, Khanh Huy Bui
    • 学会等名
      Biophysical Society 66th Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] THE THEORETICAL STUDY OF DYNEIN MOTILITY REGULATED BY TUBULIN POST TRANSLATIONAL MODIFICATION2022

    • 著者名/発表者名
      Shintaroh Kubo
    • 学会等名
      66th Biophysical Society Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] How post-translational modification of tubulin regulated dynein-2 motility2021

    • 著者名/発表者名
      Shintaroh Kubo
    • 学会等名
      Cell Bio virtual 2021 EMBO Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2021-05-27   更新日: 2024-12-25  

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