世界初！微小管がメカノセンサーであることを実証 ～微小管の構造変化がモータータンパク質のダイナミクスを変調させることを解明～
2021.10.14
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世界初！微小管がメカノセンサーであることを実証 ～微小管の構造変化がモータータンパク質のダイナミクスを変調させることを解明～
研究のポイント
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概要
横浜市立大学大学院生命医科学研究科の池口満徳教授，北海道大学大学院理学研究院のシエダ?ルバイヤ?ナスリン博士研究員，自然科学研究機構生命創成探究センターのクリスチャン?ガンサー特任助教，東京大学先端科学技術研究センターの山下雄史特任准教授，名古屋大学の内橋貴之教授（兼任 自然科学研究機構生命創成探究センター客員教授），北海道大学大学院理学研究院の角五 彰准教授らの研究グループは，細胞骨格である微小管＊1が，力学ストレスを感知しモータータンパク质＊2の运动性を変调するメカノセンサー＊3として机能することを明らかにしました。
微小管は，细胞内では细胞骨格として机能するだけでなく，细胞活动に必要な物质を输送するレールとしての役割も果たしています。物质输送にはモータータンパク质であるキネシンやダイニンなどが関わり，微小管上を移动することで物质が运ばれます。このように様々な细胞活动に携わる微小管は常に力学的なストレスに晒されることになります。さらに微小管は最も刚直な细胞骨格でもあるため，力学ストレスの影响を真っ先に受けることになります。
そのため微小管は，力学的な情报を生化学的な情报へと変换するメカノセンサーとしても机能しているのではないかと考えられてきました。このような仮説を支持する実験结果もこれまでに几つか报告されてきましたが，メカノセンサーとしての直接的な証拠は得られておりませんでした。
研究グループは，微小管のメカノセンサーとしての机能をモータータンパク质であるキネシンの运动性を高解像度の観察システムである高速原子间力顕微镜＊４を用いて分子レベルで解明しました。
その結果，微小管に沿って運動するキネシンは，微小管の屈曲等の構造的な変形により運動性を変化させるということを明らかにしました。また全原子分子動力学シミュレーション研究によって，運動速度を変化させる機構は，微小管の微小な構造変化がキネシンと微小管の結合親和性を変化させることによるものであることも明らかにしました。これらの結果は，微小管が，力学ストレスを感知しモータータンパク质の运动性を変调するメカノセンサーとして機能するという直接的な証拠であり，世界初の報告になります。
本研究成果は，日本時間2021年10月14日（木）公開のScience Advances誌に掲載されました。
微小管は，细胞内では细胞骨格として机能するだけでなく，细胞活动に必要な物质を输送するレールとしての役割も果たしています。物质输送にはモータータンパク质であるキネシンやダイニンなどが関わり，微小管上を移动することで物质が运ばれます。このように様々な细胞活动に携わる微小管は常に力学的なストレスに晒されることになります。さらに微小管は最も刚直な细胞骨格でもあるため，力学ストレスの影响を真っ先に受けることになります。
そのため微小管は，力学的な情报を生化学的な情报へと変换するメカノセンサーとしても机能しているのではないかと考えられてきました。このような仮説を支持する実験结果もこれまでに几つか报告されてきましたが，メカノセンサーとしての直接的な証拠は得られておりませんでした。
研究グループは，微小管のメカノセンサーとしての机能をモータータンパク质であるキネシンの运动性を高解像度の観察システムである高速原子间力顕微镜＊４を用いて分子レベルで解明しました。
その結果，微小管に沿って運動するキネシンは，微小管の屈曲等の構造的な変形により運動性を変化させるということを明らかにしました。また全原子分子動力学シミュレーション研究によって，運動速度を変化させる機構は，微小管の微小な構造変化がキネシンと微小管の結合親和性を変化させることによるものであることも明らかにしました。これらの結果は，微小管が，力学ストレスを感知しモータータンパク质の运动性を変调するメカノセンサーとして機能するという直接的な証拠であり，世界初の報告になります。
本研究成果は，日本時間2021年10月14日（木）公開のScience Advances誌に掲載されました。
概要図：屈曲した微小管のレールを走るモータータンパク質キネシン1分子の高速原子間力顕微鏡イメージ。 屈曲した微小管上ではキネシンは減速走行する。
背景
细胞の分化，発生，疾患などにおいて，力学的なストレスが大きな影响をもたらすことが近年の様々な研究から明らかとなってきています。例えば，无重力空间で活动する宇宙飞行士は重力によるストレスがなく筋肉や骨が衰えてしまうことが知られています。逆に脳などの软组织に过度の力学的ストレスが印加されると，神経轴索の机能が不全となり，记忆や认知障害，アルツハイマー病などの発症に繋がる恐れがあります。
このような役割を果たしている力学的ストレスを感知する细胞内のセンサーであるメカノセンサーとしては，イオンなどの透过する开闭式のタンパク质や，细胞骨格の一つであるアクチンのような非开闭式のタンパク质の存在が知られています。
近年，最も刚直な细胞骨格であり，细胞の形态形成や细胞内物质输送などにおいて重要な役割を果たしている「微小管」にも，メカノセンサーとして机能が备わっているのではないかという仮説を支持する研究结果が相次いで报告されてきました。
しかし，メカノセンサーであることの直接的な証拠や机构に関する知见は得られていませんでした。
このような役割を果たしている力学的ストレスを感知する细胞内のセンサーであるメカノセンサーとしては，イオンなどの透过する开闭式のタンパク质や，细胞骨格の一つであるアクチンのような非开闭式のタンパク质の存在が知られています。
近年，最も刚直な细胞骨格であり，细胞の形态形成や细胞内物质输送などにおいて重要な役割を果たしている「微小管」にも，メカノセンサーとして机能が备わっているのではないかという仮説を支持する研究结果が相次いで报告されてきました。
しかし，メカノセンサーであることの直接的な証拠や机构に関する知见は得られていませんでした。
研究手法
研究グループは，微小管のメカノセンサーとしての机能を调べるため，モータータンパク质であるキネシンの运动性に着目しました。キネシンは人间のように细胞骨格である微小管上を二足歩行することが知られています。キネシンは细胞分裂や神経轴索などの细胞内物质输送において重要な役割を果たすだけでなく，神経回路の形成や记忆?学习などの脳の机能，肿疡形成の抑制などにも係わることが明らかになってきています。そこで，高解像度の観察システムである高速原子间力顕微镜を用いて，キネシンの运动性を分子レベルで解明することとしました。
微小管は，ブタの脳细胞から精製したチューブリンを重合して得ました。キネシンは大肠菌により発现させ，カラム等で精製しました。次にマイカ表面に脂质二重膜を海岛状に担持し，その表面に微小管を吸着させることで，微小管を屈曲させました。アデノシン叁リン酸（础罢笔）存在下で屈曲した微小管に沿って移动するキネシンのダイナミクスは，蛍光顕微镜ならびに高速原子间力顕微镜を用いて解明しました。
力学ストレスがどのようにキネシンの运动性を変调しているのかを调べるため，微小管の构造変化が引き起こすキネシンとの相互作用への影响を，全原子分子动力学计算で解明しました。
微小管は，ブタの脳细胞から精製したチューブリンを重合して得ました。キネシンは大肠菌により発现させ，カラム等で精製しました。次にマイカ表面に脂质二重膜を海岛状に担持し，その表面に微小管を吸着させることで，微小管を屈曲させました。アデノシン叁リン酸（础罢笔）存在下で屈曲した微小管に沿って移动するキネシンのダイナミクスは，蛍光顕微镜ならびに高速原子间力顕微镜を用いて解明しました。
力学ストレスがどのようにキネシンの运动性を変调しているのかを调べるため，微小管の构造変化が引き起こすキネシンとの相互作用への影响を，全原子分子动力学计算で解明しました。
研究成果
上记の手法により研究グループは，微小管は圧缩，引っ张り，曲げなど力学的ストレスに応じて构造変化することで，微小管に沿って运动するモータータンパク质キネシンの运动速度を変化させることを明らかにしました。运动速度の変化は，変形の度合いに依存することも明らかにしました。
全原子分子动力学シミュレーション研究によって，この运动速度を変化させる机构は，微小管の微小な构造変化がキネシンと微小管の结合亲和性を変化させることが原因であることも明らかにしました。
本研究结果は，微小管の构造変化がモータータンパク质のダイナミクスを変调させることを分子レベルで见出した世界初の报告となります。
全原子分子动力学シミュレーション研究によって，この运动速度を変化させる机构は，微小管の微小な构造変化がキネシンと微小管の结合亲和性を変化させることが原因であることも明らかにしました。
本研究结果は，微小管の构造変化がモータータンパク质のダイナミクスを変调させることを分子レベルで见出した世界初の报告となります。
今后への期待
本研究では，微小管が细胞内物质输送を调整するメカノセンサーとして机能しうるということを初めて実証しました。この成果は，1）细胞を取り巻く力学环境を研究対象としたバイオメカニクスやメカノバイオロジーなどの学术分野への波及効果や，2）细胞内物质输送の障害に起因する神経疾患研究への波及効果や，3）力学センサーなどの开発を目指す材料科学分野なども含め様々な分野への波及効果が期待されます。
谢辞
本研究でのシミュレーションは，文部科学省「富岳」成果创出加速プログラム（丑辫200129、丑辫210172)を通じスーパーコンピュータ「富岳」/スーパーコンピュータ罢厂鲍叠础惭贰の计算资源の提供を受け，実施されました。
论文情报
論文名： Deformation of microtubules regulates translocation dynamics of kinesin
（微小管の変形がキネシンの并进运动ダイナミクスを変调する）
著者名： Syeda Rubaiya Nasrin1，Christian Ganser2，西川圣二3，Arif Md. Rashedul Kabir1, 佐田和己1,3,山下雄史4, 池口満徳5, 内橋貴之2,6, Henry Hess7, 角五 彰1,3（1北海道大学大学院理学研究院，2自然科学研究机构生命创成探究センター，3北海道大学大学院総合化学院，4东京大学先端科学技术研究センター，5横浜市立大学生命医科学研究科，6名古屋大学大学院理学研究科，7コロンビア大学医用生体工学部）。
雑誌名： Science Advances（米国科学振興協会（AAAS）が刊行するオープンアクセス雑誌）
ＤＯＩ： 10.1126/蝉肠颈补诲惫.补产蹿2211
公表日： 日本时间2021年10月14日（木）午前4时（米国东部时间2021年10月13日（水）午后2时）
（オンライン公开）
（微小管の変形がキネシンの并进运动ダイナミクスを変调する）
著者名： Syeda Rubaiya Nasrin1，Christian Ganser2，西川圣二3，Arif Md. Rashedul Kabir1, 佐田和己1,3,山下雄史4, 池口満徳5, 内橋貴之2,6, Henry Hess7, 角五 彰1,3（1北海道大学大学院理学研究院，2自然科学研究机构生命创成探究センター，3北海道大学大学院総合化学院，4东京大学先端科学技术研究センター，5横浜市立大学生命医科学研究科，6名古屋大学大学院理学研究科，7コロンビア大学医用生体工学部）。
雑誌名： Science Advances（米国科学振興協会（AAAS）が刊行するオープンアクセス雑誌）
ＤＯＩ： 10.1126/蝉肠颈补诲惫.补产蹿2211
公表日： 日本时间2021年10月14日（木）午前4时（米国东部时间2021年10月13日（水）午后2时）
（オンライン公开）
参考図
図 1. 圧縮，引っ張り，曲げなど力学的ストレスを受けて変形した微小管は，微小管に沿って運動するモータータンパク質キネシンの運動性を変調する。モータータンパク質キネシンの運動性の変調は，微小管の構造変化に伴う微小管‐キネシン間の親和性の変化によりもたらされる。
用语解説
＊1 微小管 … 細胞中に存在する直径約25 nmの管状の構造体で，チューブリンと呼ばれるタンパク質からなる。細胞の形態を維持する骨格としての役割や，モータータンパク質による物質輸送のレールとしての機能など，様々な細胞活動に関わっている。
＊2 モータータンパク質 … アデノシン三リン酸（ATP）の加水分解によって生じる化学エネルギーを 運動に変換するタンパク質。生物のほとんどすべての細胞に存在しており，物質の輸送や細胞分裂に 関わっている。アクチン上を動くミオシン，微小管上を動くキネシンやダイニンが知られている。 本研究では微小管とキネシンを使用。
＊3 メカノセンサー … 力学的な情報を感知し，電気的なシグナルや化学的シグナルへ変換する素子。生体内にも力学的な情報を生化学的な情報へと変換するチャネルタイプのメカノセンサーが存在することが知られている。
＊4 高速原子間力顕微鏡 … 柔らかい板バネの先に付いた針の先端で試料に触れ、試料の表面形状を可視化する顕微鏡。針と試料の水平方向の相対位置を変えながら試料表面の高さを計測することにより、試料の表面形状を可視化する。試料の表面を高速（最速16フレーム/秒）にスキャンすることにより試料の動きを可視化することができる。
＊2 モータータンパク質 … アデノシン三リン酸（ATP）の加水分解によって生じる化学エネルギーを 運動に変換するタンパク質。生物のほとんどすべての細胞に存在しており，物質の輸送や細胞分裂に 関わっている。アクチン上を動くミオシン，微小管上を動くキネシンやダイニンが知られている。 本研究では微小管とキネシンを使用。
＊3 メカノセンサー … 力学的な情報を感知し，電気的なシグナルや化学的シグナルへ変換する素子。生体内にも力学的な情報を生化学的な情報へと変換するチャネルタイプのメカノセンサーが存在することが知られている。
＊4 高速原子間力顕微鏡 … 柔らかい板バネの先に付いた針の先端で試料に触れ、試料の表面形状を可視化する顕微鏡。針と試料の水平方向の相対位置を変えながら試料表面の高さを計測することにより、試料の表面形状を可視化する。試料の表面を高速（最速16フレーム/秒）にスキャンすることにより試料の動きを可視化することができる。