公募班[後期]A03:動的秩序の展開

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内山 進

大阪大学・大学院工学研究科生命先端工学専攻
准教授
自然科学研究機構・岡崎統合バイオサイエンスセンター
客員准教授
華南理工大学・生物工学科与生物医科学
兼任教授
薬学博士
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 超分子質量分析による蛋白質複合体の離合集散過程の解明
連携研究者 石井健太郎
自然科学研究機構・岡崎統合バイオサイエンスセンター 研究員
博士(理学)
野田勝紀
大阪大学・大学院工学研究科 特任研究員
研究目的  本研究では、複数種類の成分から構成される蛋白質複合体形成における化学量論の変化と相互作用部位と構造変化を正確に把握することで、各状態間のエネルギー差を明らかとし、さらに、そうしたエネルギー差の構造的要因を分子レベルで理解することを目的とする。本研究では、化学量論は未変性状態での質量分析法(Native MS)と超遠心沈降速度法を組み合わせることで多成分系の定量分析を実現し、一方、相互作用部位・構造変化については、水素重水素交換質量分析法(HDX-MS)を駆使した解析を行う。
 これまでの研究では、プロテアソームα7とα6の会合体形成をNative MSとSV-AUCにより解析し、α6がα7-14量体(((α7)7)2)のダブルリングブレーカーであり、α6の添加に伴い((α7)7)2は2分子のα6(α7)7となることを明らかとした。本研究では、さらに他のサブユニット(α1〜5)の役割について質量分析を中心に解析を行い、プロテアソームαリングの形成機構の解明を目指す。

老木 成稔

福井大学・医・分子生理
教授 医学博士
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 チャネル蛋白質のゲーティングに連動した離合集散動態の分子機構の解明
研究目的  膜蛋白質には膜上で高密度集合することで細胞機能を生み出すものがあるが、多くの場合、他の蛋白質が集合に関わる。一方私達は膜蛋白質であるKcsAカリウムチャネルが単独で離合集散することをAFMで発見した。KcsAチャネルはゲート開閉構造変化に連動して膜上で可逆的な自己組織化を行う。一方、KcsAチャネル単独では膜内葉にある負電荷リン脂質と静電的相互作用することが明らかになり、この時チャネル蛋白質に新しい構造モチーフ(センサーヘリックス)を介することを明らかにした。このセンサーヘリックスがゲート構造変化を制御する。この2つの発見から導かれることは、チャネル機能発現においてチャネル蛋白質の構造変化が膜脂質との相互作用を変化させ、チャネルの膜内での孤立状態と自己組織化状態の遷移を引き起こしている、というシナリオである。本研究の目的は、分子内構造変化から超分子集合体形成にいたるチャネルの新しい動的機能発現様式の分子機構を明らかにすることである。新しく開発したチャネル機能測定法(Contact Bubble Bileyers法)とAFM(高分解・高速)を中心に研究を進める。同時にチャネルの最も本質的な機能であるイオン透過機構について理論的・実験的研究を進める。本申請課題は本新学術領域における様々な領域の研究者による分光学的手法など多様な手法を投入できる絶好の研究対象であり、積極的に共同研究を推進したい。

奥村 久士

自然科学研究機構・分子科学研究所・計算科学研究センター
准教授 博士(理学)
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 アミロイド線維の動的秩序形成過程の全貌の理論的解明
連携研究者 伊藤暁
自然科学研究機構・分子科学研究所 助教 博士(理学)
森義治
自然科学研究機構・分子科学研究所 特任助教 博士(理学)
西澤宏晃
自然科学研究機構・分子科学研究所
日本学術振興会特別研究員 博士(理学)
研究目的 アルツハイマー病などの神経変性疾患はアミロイドベータペプチドなどが異常凝集してアミロイド線維を形成することが原因で発症すると考えられている。アミロイド線維の生成はまず数個のペプチドが集合・離散を繰り返しながらアミロイド線維の核を生成し(核生成過程)、ある程度の大きさを超える核(臨界核)が生成されると、成長してアミロイド線維が伸長する(伸長過程)。我々はバラバラのモノマー状態から核生成過程、伸長過程を経て平衡状態に至る動的秩序形成過程の全貌を全原子分子動力学シミュレーションで明らかにすることでペプチドが自律的に集合する物理化学的メカニズムを解明する。

菊地 和也

大阪大学・大学院工学研究科
教授 博士(薬学)
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 生命分子機能を、時空間を制御して解明する設計分子プローブ
連携研究者 堀雄一郎
大阪大学大学院工学研究科 准教授 博士(薬学)
蓑島維文
大阪大学大学院工学研究科 助教 博士(理学)
研究目的  本研究では、細胞内生体分子を時間と空間を制御して可視化し、細胞レベルで機能解明を行う。これらの機能解析手段は超分解顕微鏡等、近年急速に発達してきた。研究代表者は測定したい分子との反応に着目して化学プローブをデザインするという発想を基に、時間を特定して標的蛋白質に蛍光団を導入する原理を開発し、分子認識あるいは酵素反応を分光情報(蛍光特性変化等)へと変換できるプローブをデザイン・合成し、生物応用に成功してきた。本研究ではさらに、分子プローブの機能を向上させ、生体機能を観るための分子プローブを深化させ、実際の動物個体実験系への応用を行う。

佐甲 靖志

理化学研究所・佐甲細胞情報研究室
主任研究員 理学博士
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 細胞膜受容体の動的会合体形成と分子認識反応
研究目的  細胞膜の受容体蛋白質が細胞外情報に応答して動的に会合体の組み換えをお越し、細胞内外の蛋白質分子との特異的な反応場を形成する様子を計測・解析する。上皮成長因子受容体(EGFR)、代謝型グルタミン酸受容体(mGluR)を計測対象とする。EGFRはリガンド結合依存的な2量体を形成して活性化し、さらに数分子のEGFRがリガンド結合後に会合体組み換えを起こして情報伝達を行う。mGluRは恒常的ホモ2量体であり、アゴニスト結合に伴う配置転換が活性化を引き起こす。さらにセロトニン受容体(5HTR)とヘテロ多量体を形成し、互いの活性を調節していると言われる。本研究では細胞内1分子計測技術を活用し、EGFR, mGluRの運動・会合体形成などの分子ダイナミクスおよび、細胞外リガンド、アゴニストや細胞質蛋白質と膜受容体会合体の相互作用キネティクスを計測し、膜受容体の自己組織化の生理機能を明らかにする。

申 恵媛

京都大学大学院薬学研究科
准教授 博士(理学)
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 P4-ATPaseによる生体膜のリン脂質動的秩序の形成機構
研究目的  生体膜の脂質二重層は、その内葉と外葉において脂質組成の非対称性を有し、動的秩序を保持している。生体膜の動的秩序の変化は、アポトーシス、血小板の凝集、筋細胞の融合のような生理機能に必須である。我々は生体膜の脂質非対称性の動的秩序がどのように調節されるかを明らかにしたいと考えている。本研究で着目したP4-ATPaseは、P-type ATPaseのサブファミリーであり、リン脂質を細胞外(内腔)側から細胞質側へとflipすることで、脂質二重層の時空間的な脂質組成の変化を調節する膜10回貫通型タンパク質である。本研究ではP4-ATPaseの活性を調節する分子機構を解明し、生体膜の動的秩序の変化にいかに対応しているか、生理機能にどのようにリンクしているかを明らかにしていく。

真行寺 千佳子

東京大学・大学院理学系研究科・生物科学専攻
准教授 理学博士
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 鞭毛の振動運動発現に至るダイニンの自律的複雑性の時空間的展開
研究目的  真核生物の鞭毛の特徴である振動運動を生み出しているのは、鞭毛軸糸を構成する微小管(ダブレット)上に並ぶダイニン分子の高度に組織化された運動制御機構である。この機構の特徴は自律制御にある。ダイニンは、軸糸のどこに位置するかにより、すなわちどのような情報を周囲から得るかにより柔軟に反応を変調できる。ダイニンは、ATPを加水分解して力を出し微小管上を動くだけでなく、外部から与えられる力学情報に反応する。しかしこれまで、振動を生み出す微小管滑り運動の秩序だった調節はダイニンの特性によるのではなく、軸糸内の多様な系による制御の結果であると考えられてきた。技術的にも、鞭毛振動におけるダイニンの役割を明らかにすることは容易ではない。本研究では、われわれ独自の手法により、鞭毛内で素子として働くダイニン分子機能の自律的複雑性を捉え、ダイニン分子のこの自律的複雑性がさらに統合され、秩序系としての鞭毛の振動運動に至る時空間的展開機構の理解を目指す。注目するのは、ダイニン−微小管系による機能的階層性のデザインルールと外部から与えられた力学変形に対する機能変調である。これらの解明を基礎として、ダイニン分子の多様で柔軟な自律的特性が統合されて振動運動という秩序系発現に至る基本原理の理解を目指す。
 このテーマと平行して、ウニ精子鞭毛膜の脂質ラフトの動的秩序形成の過程を明らかにすることも目指す。これは、鞭毛の振動運動解析の実績を生かした、領域内の共同研究である。蛍光スフィンゴミエリンの1分子観察と独自の新しい手法により、脂質ラフトの挙動とそれに連動して起こるラフトタンパク質の機能発現の実体に迫る。

杉山 正明

京都大学 原子炉実験所
教授 博士(理学)
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 巨大タンパク質会合体における動的ネットワークとその機能解明
連携研究者 内山 進
大阪大学大学院工学研究科 准教授 博士(薬学)
長田 裕也
京都大学大学院工学研究科 助教  博士(工学)
研究目的  多くのタンパク質はいくつかのポリペプチド鎖(サブユニット)による明確な会合体を(4 次構造)を形成する。機能発現においては外部条件に応じてサブユニットの配置が明確な構造から静的・動的に変位する事が重要であると考えられている。一方、ある種のタンパク質(熱ショックタンパク質など)はサブユニットによる巨大な会合体を形成するが、上述のような明確な4 次構造が観測されない。本研究ではこれらの会合体の構造不定はタンパク質間に形成されたサブユニット交換ネットワークあると考え、この動的システムを量子ビーム散乱法を中心とした実験的なアプローチにより解明することを目的とする。
これまで水晶体の構成タンパク質における動的システムの研究を進めている。主要タンパク質のαクリスタリンは巨大な会合体であるが、その構造は明確でなく、会合数も様々な値が報告され確定していない。そこでαクリスタリンのサブユニットの1 つであるαB クリスタリンのホモ会合体をモデル系として、重水素化ラベリング法を用いた中性子小角散乱法により、サブユニット交換をはじめとするこの系の動的なシステムの研究を進めてきた。本研究ではこれらの成果を基にαクリスタリンの動的性質とそのシャペロン機能をより詳細に理解するために、生体中のクリスタリンと同様のヘテロ(αA+αBクリスタリン)会合体の動的構造及び変性タンパク質の存在下でのシステムの解明を目指す。特に今回の研究では会合体の中の会合数分布を解明できる質量分析法も領域内共同研究として取り入れ、多角的にこの現象解明を進める。
また、量子ビーム散乱法の特徴を生かして領域内の他の動的秩序系の測定に貢献したいと考えている。

田中 良和

東北大学大学院生命科学研究科
教授 博士(工学)
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 構造情報に基づいた機能改変による膜孔形成毒素の会合機構の解明
連携研究者 姚閔
北海道大学大学院先端生命科学研究院 教授 博士(理学)
加藤公児
北海道大学大学院先端生命科学研究院 助教 博士(理学)
研究目的  膜孔形成毒素はターゲット細胞を攻撃するために様々な生物により普遍的に用いられている重要な蛋白質である。ヒトをはじめとした高等生物では免疫系の蛋白質として機能し、一方で、病原性微生物は宿主の血球細胞を攻撃するために膜孔形成毒素を分泌する。膜孔形成毒素蛋白質は一般に、可溶性の単量体として分泌されるが、ターゲット細胞に接すると細胞膜上で円状に会合した後、劇的な構造変化を起こして細胞膜に孔(膜孔)を形成し、ターゲット細胞を死に至らしめる。これまで我々は、主にX線結晶構造解析の手法を用いて、黄色ブドウ球菌の膜孔形成毒素の膜孔形成の過程を捉えてきた。本研究では、構造情報をもとに機能改変型膜孔形成毒素を創出し、その解析を通してその自己組織化の本質を明らかにするとともに、これを利用したナノデバイスの創成へと発展させる。

茶谷 絵理

神戸大学・大学院理学研究科
准教授 博士(農学)
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 アミロイド核の出現に先立つタンパク質初期集合および秩序化プロセスの解明
連携研究者 山本直樹
神戸大学大学院 理学研究科 特命助教 博士(理学)
研究目的  アミロイド線維はタンパク質が形成する超分子集合体であり、数多くの重篤な疾病に関わる。アミロイド線維の形成は、核の形成とそれに続く成長の二段階で進行するが、前者が律速段階としてアミロイド線維の形成スピードを制御しているケースが多い。したがって、核生成機構の解明は、アミロイド線維構造の出現、ひいては疾病の発症時期をタンパク質分子レベルで理解するために重要な課題であるが、核がいつどのように形成されるのかについての詳細は不明である。そこで本研究では、アミロイド線維形成の初期にタンパク質分子が会合し構造構築する様子と、周囲をとりまく水分子の動態についての解析を行い、アミロイド核が形成する際のタンパク質分子の集合および秩序化メカニズムを解明する。
これまでの解析の結果、我々は、核形成にはタンパク質の規則立った集合化とこれに続く構造発達が関与する可能性を見つけた。そこで本課題においては、解析対象を複数のアミロイドーシス原因タンパク質あるいはペプチドに拡張し、さらに領域内で培われている概念や解析アプローチも取り入れることで、アミロイド核の生成に必要なタンパク質の初期集合化のより包括的かつ詳細な機構解明を目指す。

寺内 一姫

立命館大学・生命科学部
准教授 博士(学術)
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 生物時計再構成系の動的秩序探究
研究目的  概日リズム発振子として機能するKaiタンパク質による生物時計の分子機構を描き出すことを目的とする。本研究のターゲットである生物時計再構成系は、動的に変動しながら秩序を保ち24時間という周期性を発生させる。再構成された生物時計は、細胞内と同様に、時間の位相を外的環境に合わせことができる。本研究では、外的な変動に対し時計が秩序を保ちながら動的に位相を変化させる仕組みに焦点をあてる。KaiCに内包されている生物時計の作動原理を明らかにし、時間を測定するタンパク質の安定性を成立させる原理を深く理解することを目指す。

水野 健作

東北大学・大学院生命科学研究科
教授 理学博士
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 アクチン骨格超分子集合体の動的秩序形成機構と細胞機能発現機構
研究目的  アクチン骨格はアクチン繊維と多くのアクチン結合蛋白質からなる動的な超分子集合体であり、その離合集散の時空間的制御は、細胞の形態変化、運動、増殖、組織化など細胞高次機能の発現において中心的役割を担っている。これまでアクチン骨格を構成する分子素子が数多く同定されているが、細胞内外の摂動に応答してアクチン骨格が自律的にその構造を変換する中心機構は不明である。本研究では、1)細胞の力覚応答におけるアクチン骨格の再構築機構、2)3次元組織構築における力覚応答とアクチン骨格再構築の役割、3)接触阻害におけるアクチン骨格の動態変化と細胞増殖制御機構、について、多様な外部摂動に対するアクチン骨格の動的秩序形成機構を解明するとともに、その細胞機能発現機構を解明する。

村田 和義

自然科学研究機構・生理学研究所
准教授 理学博士
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 無エンベロープウイルスの動的構造秩序形成の解析
連携研究者 片山和彦
国立感染症研究所ウイルス第二部 室長 博士(獣医学)
研究目的  ロタやノロウイルスなどに代表される無エンベロープウイルスは、保持できるゲノムサイズが限られているため、そこから合成されるわずかな構造タンパク質の組み合わせにより正二十面体の殻(キャプシド)を形成し、その中にウイルスゲノムを正確に折り畳んで格納している。これらはタンパク質および核酸どうしの相互作用によってだけではなく、宿主細胞内の構造も利用して行われる。本研究では、ロタおよびノロウイルスを例として無エンベロープウイルスの動的秩序形成の様子を最先端の電子顕微鏡技術を使ってin vivoとin vitroで構造学的に解析し、生体分子における新しい自己組織化モデルを構築する。

山本 量一

京都大学・工学研究科
教授 博士(工学)
領域での役割 A03 公募研究代表者
研究課題 微生物集団が示す特異な動的秩序形成機構の解明とその制御
連携研究者 John Jairo Molina
京都大学・工学研究科 助教 PhD
研究目的 水中を泳動する微生物は、紐状の鞭毛や表面に生えた繊毛によって水中を自己推進するが、これは船や飛行機などの人工物はもちろん、魚類や昆虫などとも全く異なるメカニズムに基づいている。近年、泳動する微生物に対する力学的・物理学的アプローチの研究が国際的に大きな注目を集めているが、ようやく微生物の単体運動に関する理解に手が届き始めたところに過ぎない。非平衡ダイナミクスの実例としてより重要で、現象の変化にも富んだそれらの集団運動については、理解が全く進んでいないのが現状である。これはこの分野の理論的手法が未熟であることに主な原因があり、ソフトマターで成功した新しい手法を導入することで大きなブレークスルーが期待できる。本研究では、我々がコロイド分散系の直接数値計算のために開発したSmoothed Profile法を微生物系の研究に応用できるツールとして発展させ、最終的に微粒子のハンドリング手法の基礎付けを行う。本研究は基礎的なものであるが、成功すれば工学的な応用展開が可能となり、新たな研究フェーズに到達することができる。