分子モーターキネシンの一方向性運動メカニズムの解明

キネシンは、微小管上を二足歩行して運動する分子モータータンパク質である。キネシンの一方向性運動の仕組みとして「構造変化説」と「選択的結合説」の2つが提案されているが、具体的な仕組みはわかっていない。これまでのネックリンカー伸張変異体を用いた私の過去の研究成果において、「選択的結合説」を支持するモデルを考案したが、モデルを検証するためには、キネシンの構造変化をマイクロ秒オーダーかつナノメートル精度という高時間・高空間分解能で計測する必要があった。本年度はキネシン頭部の動きを高時間分解能で観察するために、全反射型暗視野顕微鏡を用いて金粒子の散乱光をS/N良く検出することで時間分解能55マイクロ秒かつ位置精度約1.3nmを実現することに成功した。この系を用いて金粒子で標識したキネシン頭部のATP存在下の動きを観察したところ、運動方向には16nmの離散的なステップが見られ、一方、運動と垂直な方向にはステップ直前に揺らぎの一時的な増大が見られた(Unbound状態)。ATP濃度を下げると揺らぎの増大する時間も長くなったことから、ATP待ちは片方の頭部が浮いた状態であるという過去の知見と一致する。また、Unbound状態の揺らぎの分布を調べたところ結合サイトに対して常に右側で広い範囲揺らいでいた。この結果'は、キネシンの構造を反映している。さらに、金粒子の揺らぎは前後の結合サイトにアクセスできるほど広い分布を示しており、「選択的結合説」を支持している。これらの結果は、キネシンは揺らぎを無理矢理制御するのではなく、揺らぎを巧みに利用しながら一方向性を生み出すという分子モーター特有の機構を持っていることを示している。これはキネシンの運動機構の理解に貢献するにとどまらず、タンパク質が方向性のないブラウン運動から方向性ある運動を効率よく生み出すという生命のエネルギー変換機構の本質に迫るものであり、その学術的価値は高い。

キネシンは、微小管上を二足歩行して運動する分子モータータンパク質である。キネシンの一方向性運動の仕組みとして「構造変化説」と「選択的結合説」の2つが提案されているが、具体的な仕組みはわかっていない。これまでのネックリンカー伸張変異体を用いた私の過去の研究成果において、「選択的結合説」を支持するモデルを考案したが、モデルを検証するためには、キネシンの構造変化をマイクロ秒オーダーかつナノメートル精度という高時間・高空間分解能で計測する必要があった。本年度はキネシン頭部の動きを高時間分解能で観察するために、全反射型暗視野顕微鏡を用いて金粒子の散乱光をS/N良く検出することで時間分解能55マイクロ秒かつ位置精度約1.3nmを実現することに成功した。この系を用いて金粒子で標識したキネシン頭部のATP存在下の動きを観察したところ、運動方向には16nmの離散的なステップが見られ、一方、運動と垂直な方向にはステップ直前に揺らぎの一時的な増大が見られた(Unbound状態)。ATP濃度を下げると揺らぎの増大する時間も長くなったことから、ATP待ちは片方の頭部が浮いた状態であるという過去の知見と一致する。また、Unbound状態の揺らぎの分布を調べたところ結合サイトに対して常に右側で広い範囲揺らいでいた。この結果'は、キネシンの構造を反映している。さらに、金粒子の揺らぎは前後の結合サイトにアクセスできるほど広い分布を示しており、「選択的結合説」を支持している。これらの結果は、キネシンは揺らぎを無理矢理制御するのではなく、揺らぎを巧みに利用しながら一方向性を生み出すという分子モーター特有の機構を持っていることを示している。これはキネシンの運動機構の理解に貢献するにとどまらず、タンパク質が方向性のないブラウン運動から方向性ある運動を効率よく生み出すという生命のエネルギー変換機構の本質に迫るものであり、その学術的価値は高い。