広報活動

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2016年12月12日

理化学研究所

世界最小の人工バネでタンパク質の動きを捉える

-聴覚を支える分子はどのように力に応答するか-

細胞は、培養環境、生体内環境のさまざまな“物理的な力”を感知して、その力を細胞増殖、分化、形態形成や細胞死などに利用しています。そのメカニズムで重要な役割を果たすのが、「メカノセンサータンパク質」です。一方で力がどのようにしてメカノセンサータンパク質の機能を制御するのかを調べる技術は乏しく、不明な点が多くあります。従来の技術では、タンパク質の機能や動態を1分子レベルで可視化すると同時にタンパク質に力を加えることは困難でした。そのため、メカノセンサータンパク質を“効率よく、観ながら触る”新たな技術の開発が求められていました。

理研を中心とした国際共同研究グループは、DNAを編む「DNAオリガミ」と呼ばれる技術を用いて、タンパク質サイズの世界最小のコイル状人工バネ「ナノスプリング」を作製しました。コイル直径は30ナノメートル(nm、1nmは10億分の1m)、長さは100~1,000nmです。DNA分子で構成されているため、化学修飾が容易であり、さまざま分子と接続できます。

ナノスプリングと、メカノセンサータンパク質でありかつ自律的に力を発生するモータータンパク質でもあるミオシンVIを結合させ、ナノスプリングを引き延ばす過程を蛍光1分子イメージングで超解像ナノ計測し、ミオシンVIが力に応答して機能を調節する機構を可視化しました。その結果、ミオシンVIは力を受けると、細胞骨格であるアクチンフィラメントへの結合様式を変化させて、強固な結合状態(アンカー結合状態)を作ることが分かりました(図参照)。ミオシンVIは内耳の蝸牛内に存在するステレオシリアの形態維持を担っています。ステレオシリアは、音(空気の振動)に揺さぶられることで脳内に信号を伝える役割を果たしています。ステレオシリアが受けた振動による物理的な力刺激がミオシンVIに伝わり、アクチンフィラメントとアンカー結合状態を生じることで、その形態を安定に維持していると考えられます。

本研究で開発したナノスプリングはバネ定数のチューニングが可能でプログラム能力も高いため、さまざまなメカノセンサータンパク質へ応用できです。電子顕微鏡や原子間力顕微鏡との併用も可能なため、今後、力を加えながら分子構造や動態を観る手法として有効なツールになると期待できます。

聴覚器官内でのミオシンVIの役割の図

図 聴覚器官内でのミオシンVIの役割

理化学研究所
生命システム研究センター 細胞動態計測コア 細胞動態計測研究グループ
上級研究員 岩城 光宏 (いわき みつひろ)