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2017 年度 実施状況報告書

シロイヌナズナにおけるアクチン輸送ネットワークの構築機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 17K07436
研究機関千葉大学

研究代表者

伊藤 光二  千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (50302526)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワードミオシン / アクチン / シロイヌナズナ / 原形質流動 / モータータンパク質
研究実績の概要

植物細胞においてはアクチン繊維が物質輸送の主要な輸送レールを担っている。細胞表層と原形質糸には束化したアクチン繊維が極性を同じ方向に揃えて配向しており(原形質流動レール),この上をミオシンXIが運動することにより原形質流動とよばれる一定方向の流れが生じている。アクチン繊維は原形質流動レール以外に,様々な物質を特定の目的地に運ぶための専用輸送レールとしても機能している。このような多様な機能をおこなうために,シロイヌナズナにおいて8種のアクチンアイソフォームが,13種のミオシンXIアイソフォームおよび,重合,脱重合,束化等を制御する多様なアクチン結合タンパク質と相互作用し,複雑かつ高度に制御されたアクチン輸送ネットワークを構築している。本研究は,(1) アクチン繊維が極性を同じ方向に揃えて配向する機構および,(2) 様々な物質を特定の目的地に運ぶための専用輸送レールとしての機構の解明を目的とした。
(1)については,植物の細胞質領域を模倣した,様々な形状の基板をフォトリソグラフィによって作製し,さらにアクチン束化因子を加えるなどして,アクチン繊維が極性を同じ方向に揃える条件の解明をおこなった。その結果,空間的制限とアクチン束化因子があれば,アクチン繊維はミオシンXIと相互作用しながら極性を揃えて配向しうることを明らかにした。(2)については,シロイヌナズナの17種のミオシンアイソフォームと8つのアクチンアイソフォームを昆虫培養の系で発現させ,精製した。そして,それぞれのミオシンはアクチンによって親和性,ATP加水分解活性,速度が違うかどうかを検証した。その結果,ATP加水分解活性,速度については明確な違いがみられることがわかった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

(1) アクチン繊維が極性を同じ方向に揃えて配向する機構の解明について: 周回型原形質流動を模倣したリング状基板において,アクチン束化因子としてメチルセルロースを加えたら,アクチン繊維はミオシンXIと相互作用しながら極性を揃えて配向しうることを明らかにした。また,基板として使う紫外線硬化樹脂Noa61は撥水性であるのでタンパク質(ミオシン)の結合性が非常に弱く,それが様々な本実験のネックとなっていたが,プラズマ処理を施すと紫外線硬化樹脂Noa61の撥水性性質が大きく改善されることがわかった。
(2) 様々な物質を特定の目的地に運ぶための専用輸送レールとしての機構の解明について: シロイヌナズナにはMYA1, MYA2, XI-A, XI-B, XI-C, XI-D, XI-E, XI-F, XI-G, XI-H, XI-I, XI-J, XI-K, AMT1, ATM2, VIIIA, VIIIBの17種のミオシンアイソフォームと,ACT1, ACT2, ACT3, ACT4, ACT7, ACT8, ACT11, ACT12の8つのアクチンアイソフォームとが存在するが,H29年度は, MYA2, XI-B, ATM1の3種のミオシンのモータードメインそれぞれについて,ACT1, ACT2, ACT7の3種のアクチンアイソフォームを基質にしたときのアクチン活性化ATP加水分解活性とアクチン滑り運動速度を測定した。その結果,ミオシンはアクチンごとに異なるATP加水分解活性とアクチン滑り運動速度を示すことがわかった。また,ACT2とACT7は植物細胞内で異なるアクチンアイソフォームとして存在することがわかった。これらのことから,ミオシンとアクチンとの相性が,「専用輸送レール」の基盤の1つとしてなりうることを見出した。
以上のように,当初の計画どおりおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

(1) アクチン繊維が極性を同じ方向に揃えて配向する機構の解明について: プラズマ処理を施すと紫外線硬化樹脂Noa61の撥水性性質が大きく改善されることがわかり,多くの基板での試行が可能となった。周回型の原形質流動の細胞質を模倣したリング状基板については,リングの直径,幅を変えるなど様々なサイズを試す。さらに,逆噴水型原形質流動の細胞質を模倣した基板などさまざまな形状の基板を試し,アクチン繊維が極性を同じ方向に揃えて配向する機構の必要条件を探り,また,アクチン繊維の運動方向のキラリティーを検証する。さらに,メチルセルロースだけでなく,Villinなどnativeな束化因子も試す。以上により,アクチン繊維が極性を同じ方向に揃えて配向する機構を明らかにしていく。
(2) 様々な物質を特定の目的地に運ぶための専用輸送レールとしての機構の解明について: MYA2, XI-B, ATM1の3種のミオシンのモータードメインそれぞれについて,ACT1, ACT2, ACT7の3種のアクチンアイソフォームについて親和性の違いを明らかにする。GFPを遺伝子的に付加したミオシンを, Cy3およびCy5の異なる蛍光色素で標識した2種類の異なるアイソフォームを低濃度ATP存在下で混合し,一定時間後に,蛍光顕微鏡で観察し,どちらのアクチンアイソフォームに結合するか調べる。また,アクチン活性化ATP加水分解活性,アクチン滑り運動速度,親和性の検証はMYA2, XI-B, ATM1以外の14種のミオシンおよび,ACT1, ACT2, ACT7以外の8種のアクチンアイソフォームについても順次行なっていく。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Measurement of enzymatic and motile activities of Arabidopsis myosins by using Arabidopsis actins2018

    • 著者名/発表者名
      Rula S, Suwa T, Kijima ST, Haraguchi T, Wakatsuki S, Sato N, Duan Z, Tominaga M, Uyeda TQP, and Ito K.
    • 雑誌名

      Biochem Biophys Res Commun

      巻: 495 ページ: 2145-2151

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2017.12.071

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Arabidopsis vegetative actin isoforms, AtACT2 and AtACT7, generate distinct filament arrays in living plant cells2018

    • 著者名/発表者名
      Kijima ST, Staiger CJ, Katoh K, Nagasaki A, Ito K, Uyeda TQP
    • 雑誌名

      Sci Rep

      巻: 8 ページ: 4381

    • DOI

      10.1038/s41598-018-22707-w

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Self-organization of actin filaments of the same polarity by myosin2017

    • 著者名/発表者名
      Kohji Ito
    • 学会等名
      International Symposium Harmonized supramolecular motility machinery and its diversity
    • 国際学会
  • [学会発表] ゼニゴケミオシンXIのシ ロイヌナズナ培養細胞に おける発現と解析2017

    • 著者名/発表者名
      田中 美聡,段 中瑞,安藤 愛奈,岡崎 賢吾,中野 明 彦,上田 貴志,金澤 建彦, 伊藤 光二,富永 基樹
    • 学会等名
      日本植物学会第81回大会
  • [学会発表] 高速化ミオシンXI導入による単子葉植物ブラキポディウムの表現型解析2017

    • 著者名/発表者名
      原口 武士 ,木 下 佳菜 ,玉那覇 正 典 ,坂 山 英俊 ,西 山 智明 ,富 永 基 樹 ,伊 藤 光二
    • 学会等名
      日本植物学会第81回大会
  • [学会発表] 単子葉植物ブラキポディウムのミオシン11 の機能解析お よびキメラミオシン導入による機能改変2017

    • 著者名/発表者名
      天海 淳,原口 武士,富永 基樹,伊藤 光二
    • 学会等名
      日本植物学会第81回大会
  • [学会発表] 単子葉植物ブラキポディウムミオシン11 の機能解析およびCRISPR/Cas9 による遺伝子ノックアウト2017

    • 著者名/発表者名
      登藤 都,原口 武士,遠藤 真咲,持田 恵一, 伊藤 光二
    • 学会等名
      日本植物学会第81回大会

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公開日: 2018-12-17  

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