アクチンフィラメントの協同性とその機能的意義:急速凍結レプリカ法による構造解析

2003 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 14380312
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 片山 栄作 東京大学, 医科学研究所, 教授 (50111505)
• 研究分担者: 上田 太郎 産業技術総合研究所, ジーンディスカバリー研究センタ, 副センター長(研究職)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2003
• キーワード: 急速凍結電子顕微鏡法 / 3次元再構成法 / 画像シミュレーション / アクトミオシン滑り運動 / コンフォメーション変化 / 反応中間体 / レバーアーム首振り説 / アクチン・フィラメント

研究概要

本課題においては、急速凍結フリーズ・レプリカ電子顕微鏡法を用いてアクトミオシン滑り運動中の一瞬の姿を捉え、クロスブリッジの3次元構造変化を解析する一方、従来は単なるレールとしてしか想定されてないアクチン・フィラメント側に起きる構造変化も視野に入れ、滑り運動の分子機構を総合的に探ることを目標とした。レプリカ試料を対象とする3次元再構成法はほぼ完成したが、分子内部の構造変化を探れるネガティブ染色試料への適用の目処が立った。またアクチンやミオシン頭部のように原子座標が判明している場合には、そのレプリカ像をコンピュータ・シミュレーションにより予測する手法を開発した。それらの手法により、アクトミオシンのフリーズ・レプリカ像を解析した。硬直複合体中でのミオシン頭部の構造はX線結晶回折データからの予測とほぼ同等であったが、滑り運動中には、レバーアーム首振り説により想定される分子の屈曲は見られず、逆方向に曲がる粒子が大多数であった。その構造はADP存在下で2価性試薬により架橋したミオシン頭部に酷似する。両者の表面に見られる凹凸のプロファイルをシミュレーション画像とのパターンマッチングにより定量的に比較した結果、一致度は非常に高く、ミオシン頭部が従来の説から予想される方向とは逆に屈曲することは確実となった。これらの観察結果は従来型のレバーアーム首振り説とは相容れず、それを説明する新たな構造変化を考えざるを得ない。一方、滑り運動中にはアクチン・フィラメントが剪断され易くなる。ミオシン結合部位の前後でアクチンのらせん構造を比較すると、その位相が微妙にずれていた。アクチン・フィラメントは振れの力に弱いことが判明しており、滑り運動中にはその方向の力が生じると考えられる。観察されたすべての構造変化の情報を取り込んで、滑り運動の作動機構に関する新たな作業仮説を構築した.その実験的検証は今後の課題である。

研究成果

• [雑誌論文] Interaction of myosin/ADP/fluorometal complexes with fluorescent probes and direct observation using quick-freeze deep-etch electron microscopy. (2004)
  • 著者名/発表者名: Maruta S.
  • 雑誌名: Journal of Biochemistry 136 ページ: 57-64
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Three dimensional morphometrical analyses of astrocytic processes with the high voltage electron microscopy of thick Golgi preparations. (2004)
  • 著者名/発表者名: Hama K.
  • 雑誌名: Journal of Neurocytology in press
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] αB-crystallin-coated MAPs-microtubule resists nocodazole- and calcium-induced disassembly. (2004)
  • 著者名/発表者名: Fujita Y.
  • 雑誌名: Journal of Cell Science 117 ページ: 1719-1726
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 急速凍結ディープエッチ・レプリカ法:その特長と最近の企てについて (2004)
  • 著者名/発表者名: 片山栄作
  • 雑誌名: 顕微鏡 39 ページ: 133-136
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Interaction of myosin/ADP/fluorometal complexes with fluorescent probes and direct observation using quick-freeze deep-etch electron microscopy. (2004)
  • 著者名/発表者名: Maruta S
  • 雑誌名: Journal of Biochemistry 136 ページ: 57-64
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Three dimensional morphometrical analyses of astrocytic processes with the high voltage electron microscopy of thick Golgi preparations. (2004)
  • 著者名/発表者名: Hama K.
  • 雑誌名: Journal of Neurocytology (in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] αB-crystallin-coated MAPs-microtubule resists nocodazole-and calcium-induced disassembly (2004)
  • 著者名/発表者名: Fujita Y.
  • 雑誌名: Journal of Cell Science 117 ページ: 1719-1726
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Quick-freeze deep-etch replication : Its Advantageous Features and Recent Attempts (2004)
  • 著者名/発表者名: Katayama E.
  • 雑誌名: MICROSCOPY 39 ページ: 133-136
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Three-dimensional structural analysis of individual myosin heads under various functional states. (2003)
  • 著者名/発表者名: Katayama E.
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine & Biology. 538 ページ: 297-305
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Motor function of unconventional myosin. (2003)
  • 著者名/発表者名: Ikebe M.
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine & Biology. 538 ページ: 143-156
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Higher plant myosin XI moves processively on actin with 35nm steps at high velocity. (2003)
  • 著者名/発表者名: Tominaga M.
  • 雑誌名: EMBO Journal 22 ページ: 1263-1272
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] トモグラフィの新たな挑戦:細胞内/溶液内における蛋白質1分子の3次元構成をめざして (2003)
  • 著者名/発表者名: 片山栄作
  • 雑誌名: HITACHI SCIENTIFIC INSTRUMENT NEWS 46 ページ: 2-6
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Requirement of domain-domain interaction for conformational change and functional ATP hydrolysis in myosin (2003)
  • 著者名/発表者名: Ito K.
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 278 ページ: 31049-31057
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] モーター蛋白質をナノアクチュエータとして使う (2003)
  • 著者名/発表者名: 平塚祐一
  • 雑誌名: 化学 59 ページ: 32-33
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] ナノアクチュエータとしてのモーター蛋白質 (2003)
  • 著者名/発表者名: 上田太郎
  • 雑誌名: 蛋白質核酸酵素 48 ページ: 1586-1594
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Three-dimensional structural analysis of individual myosin heads under various functional states. (2003)
  • 著者名/発表者名: Katayama E.
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine & Biology 538 ページ: 297-305
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Motor function of unconventional myosin (2003)
  • 著者名/発表者名: Ikebe M.
  • 雑誌名: Advances in Experimental Medicine & Biology 538 ページ: 143-156
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Higher plant myosin XI moves processively on actin with 35 nm steps at high velocity. (2003)
  • 著者名/発表者名: Tominaga M.
  • 雑誌名: EMBO Journal 22 ページ: 1263-1272
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] A challenge to three-dimensional reconstruction of single protein molecules in solution and in cells in situ by a new electron tomography. (2003)
  • 著者名/発表者名: Katayama E.
  • 雑誌名: HITACHI SCIENTIFIC INSTRUMENT NEWS 46 ページ: 2-6
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] "Using motor proteins as nano-actuators" (2003)
  • 著者名/発表者名: Hiratuka Y.
  • 雑誌名: Chemistry 59 ページ: 32-33
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Motor proteins as nano-actuators (2003)
  • 著者名/発表者名: Uyeda T.Q.P.
  • 雑誌名: Protein, Nucleic Acid, Enzyme 48 ページ: 1586-1594
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Protein molecular motors as nano-actuators (2003)
  • 著者名/発表者名: Uyeda T.Q.P.
  • 雑誌名: in "Frontier of Nano-Biotechnology"(Ueda, M.ed., CMG press) ページ: 348-359
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] The motor domain determines the large step of myosin-V.. (2002)
  • 著者名/発表者名: Tanaka H.
  • 雑誌名: Nature 415 ページ: 192-195
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Class VI myosin moves processively along actin filaments backward with large steps. (2002)
  • 著者名/発表者名: Nishikawa S.
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 290 ページ: 311-317
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Evidence for a novel, strongly bound acto-S1 complex carrying ADP and phosphate stabilized in the G680V mutant of Dictyostelium myosin II (2002)
  • 著者名/発表者名: Uyeda T.Q.P.
  • 雑誌名: Biochemistry 30 ページ: 9525-9534
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Tail chimeras of Dictyostelium myosin II support cytokinesis and other myosin II activities but not full development. (2002)
  • 著者名/発表者名: Shu, S.
  • 雑誌名: Journal of Cell Science 115 ページ: 4237-4249
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Amino acids 519-524 of Dictyostelium myosin II form a surface loop that aids actin binding by facilitating a conformational change. (2002)
  • 著者名/発表者名: Uyeda T.Q.P.
  • 雑誌名: Journal Muscle Research and Cell Motility. 23 ページ: 685-695
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Design and functional analysis of acto-myosin motor domain chimera proteins. (2002)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama K.
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 229 ページ: 825-831
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] The motor domain determines the large step of myosin-V. (2002)
  • 著者名/発表者名: Tanaka H.
  • 雑誌名: Nature 415 ページ: 192-195
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Class VI myosin moves processively along actin filaments backward with large steps (2002)
  • 著者名/発表者名: Nishikawa S.
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 290 ページ: 311-317
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Evidence for a novel, strongly bound acto-S1 complex Carrying ADP and phosphate stabilized in the G680V mutant of Dyctyostelium myosin II. (2002)
  • 著者名/発表者名: Uyeda T.Q.P.
  • 雑誌名: Biochemistry 30 ページ: 9525-9534
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Tail chimeras of Dictyoste/ium myosin II support cytokinesis and other myosin II activities but not full development. (2002)
  • 著者名/発表者名: Shu, S.
  • 雑誌名: Journal of Cell Science 115 ページ: 4237-4249
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Amino acids 519-524 of Dictyostelium myosin II form a Surface loop that aids actin binding by facilitating a conformational change. (2002)
  • 著者名/発表者名: Uyeda T.Q.P.
  • 雑誌名: Journal Muscle Research and Cell Motility 23 ページ: 685-695
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Design and functional analysis of acto-myosin motor domain chimera proteins. (2002)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama K.
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 299 ページ: 825-831
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Requirement of domain-domain interaction for conformational change and functional ATP hydrolysis in myosin. (2002)
  • 著者名/発表者名: Ito K.
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 278 ページ: 31049-31057
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] ナノバイオテクノロジーの最前線(植田充美編) (2003)
  • 著者名/発表者名: 上田太郎
  • 総ページ数: 12
  • 出版者: シーエムシー出版
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より