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千葉大学 大学院融合科学研究科 ナノバイオロジーコース 教授 伊藤 光二 のホームページです。

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研究内容 

1. 世界最速のモーター蛋白質である 「車軸藻のミオシン」 の速さの秘密の解明

淡水産の藻類である車軸藻のミオシンは,他の動物や植物のミオシンと比べて10〜1000倍も速度が大きい生物界で最速の生体分子モーターです。「これほ と速い速度はどのような機構によって可能なさしめるか?」という問いに対する解答を求め,私達は研究してきました。車軸藻から直接,ミオシンを精製する方 法では詳細な生化学的測定に十分なミオシンを得ることは不可能です。そこで,分子生物学的手法によって車軸藻ミオシンを作成する試みを行い,それに成功し ました。その結果,最速のミオシンである車軸藻のミオシンはATP加水分解速度も最大であることがわかりました(論文17)。つまり,車 軸藻ミオシンはストライドを大きくするのではなく,ピッチを速くすることによって最速の速度を出していることがわかりました。また,速度を速くする鍵は ADPの解離速度にあること(論文12),車軸藻ミオシンが他のミオシンと違い高速ならしめている構造はアクチン結合サイトということを明らかにしました (論文9)。

2. 植物細胞における原形質流動の役割の解明

原形質流動の最初の報告は1774年のイタリア人植物学者Cortiまでさかのぼります。その後の200年以上にわたる研究により原形質流動は植物細胞に 普遍的な現象であることがわかりました。しかし,原形質流動の植物細胞における役割はよくわかっていません。私達は理化学研究所の富永博士と共同で,シロ イヌナズナのクラスXIミオシンの1つであるXI-2のモーター領域を車軸藻ミオシンに変えたキメラミオシンをつくり,それをシロイヌナズナに導入しまし た。このキメラミオシンはモーター領域は車軸藻ミオシンなので細胞内で高速にアクチン上を動くことが可能で,しかも尾部領域はシロイヌナズナクラスXI- 2なのでXI-2が結合するオルガネラと結合可能です。キメラミオシンを導入したシロイヌナズナでは,予想どおり原形質流動速度が上昇しました。しかし, 驚くべきことに原形質流動速度の増加にともない細胞および植物体の成長が促進されました。反対に,モーター領域を遅いミオシンであるヒトのVbに変えたキ メラミオシンを導入したら原形質流動速度の低下とともに,細胞および植物体の大きさが小さくなりました。以上の結果は原形質流動の役割は細胞内の物質拡散のとおして,細胞および植物の成長を促進させることということがわかりました。200年以上にわたる謎が解明されたのです(論文5)。

3. 高等植物(顕花植物)におけるミオシンの細胞内機能の解明

高等植物(顕花植物)の細胞内では多くの種類のミオシン遺伝子が発現しています。たとえば,シロイヌナズナにおいては13種類のクラスXIミオシンと4種 類のクラスVIIIミオシンが発現しています。植物におけるクラスXIミオシンの主要な機能は原形質流動を引き起こすことということはわかっています。し かし,シロイヌナズナで発現している13種類すべてのクラスXIミオシンの機能は原形質流動を引き起こすこと?それとも種類に応じた役割がある?クラスVIIIミオシンの役割は何?な ど高等植物におけるミオシンの機能,役割については根本的なことでさえもほとんどわかっていません。私達はその解明に向けて,(a)シロイヌナズナにおける17種類のすべてのミオシンの運動特性(運動速度,酵素活性,プロセッシビティ(運動の連続性))を網羅的に調べ,(b)それぞれのミオシンに結合するタンパク質(アダプター蛋白質)の質量分析による同定をおこなっています。 だ,その研究ははじまったばかりですが,13種のクラスXIミオシンの運動特性は,驚くべき事に同じクラスとは思えないほど多様性に富み,局在や発現組織も異なっていることがわかりました(論文投稿中)。また,クラスVIIIミオシンの機能についてはこれまでまったく分かっていなかったのですが,構造維持,張力発生に特化したミオシンということがわかりました(文献3)。

4. 植物細胞におけるアクチン繊維の極性をもった配向機構

植物細胞の細胞膜直下においてはアクチン繊維が極性を揃えて配向しています。アクチン繊維の極性を揃えた配向は原形質流動がおきるための重要な必要条件ですが,どのような機構によって生じるかわかっていません。私達は,最近,植物細胞の細胞質空間を模したin vitroの 基盤においてミオシンXIとアクチン繊維の2種類のタンパク質を相互作用させると,時間とともに,アクチン繊維が極性を揃えて配向していくことを示しまし た。植物細胞における原形質流動の形成機構の鍵はアクチン繊維とミオシンXIによる自律的な相互作用にあると仮説をたて研究を進めています。

最近の査読つき発表論文

1. Myosin XI-I is Mechanically and Enzymatically Unique Among Class XI Myosins in Arabidopsis
Haraguchi T., Tominaga M*., Nakano A., Yamamoto K., and Ito K

Plant Cell Physiol  57(8), 1732–1743 (2016).

2. The molecular mechanism and physiological role of cytoplasmic streaming
Tominaga M. and Ito K. 
Curr Opin Plant Biol  27, 104–110 (2015)

3.
Molecular Characterization and Subcellular Localization of Arabidopsis class VIII myosin, ATM1
 Haraguchi T,Tominaga M,  Matsumoto R,  Sato K, Nakano A, Yamamoto K, and Ito K.
J Biol Chem 289(18), 12343–12355 (2014).

4.植物の大きさはミオシンモーターのスピードで決まる!
富永基樹,伊藤光二
生物物理54(5), 259-261 (2014).

5. Cytoplasmic Streaming Velocity as a Plant Size Determinant.
Tominaga M, Kimura A, Yokota E, Haraguchi T, Shimmen T, Yamamoto K, Nakano A, Ito K. 
Dev Cell (2013)27, 345–352, (2013)
(NHK全国テレビニュース、日本経済新聞,朝日新聞、産経新聞,東京新聞,日刊工業新聞,Yhoo!ニュース(時事通信社配信),共同通信などで紹介されました.(F1000)に選ばれました。)

6. Function of the head-tail junction in the activity of myosin II.
Haraguchi T, Honda K, Wanikawa Y, Shoji N, Yamamoto K, Ito K.
Biochem Biophys Res Commun  440(4):490-494. (2013)

7. Rapid nucleotide exchange renders Asp-11 mutant actins resistant to depolymerizing activity of cofilin, leading to dominant toxicity in vivo.
Umeki N, Nakajima J, Noguchi TQ, Tokuraku K, Nagasaki A, Ito K, Hirose K, Uyeda TQ.
J Biol Chem 288(3):1739-1749. (2013)

8. G146V Mutation at the Hinge Region of Actin Reveals a Myosin Class-specific Requirement of Actin Conformations for Motility.
Noguchi TQ, Komori T, Umeki N, Demizu N, Ito K, Iwane AH, Tokuraku K, Yanagida T, Uyeda TQ.
J Biol Chem  287 (29), 24339-24345 (2012)

9. Unique charge distribution in surface loops confers high velocity on the fast motor protein Chara myosin. 
Ito K, Yamaguchi Y, Yanase K, Ichikawa Y, Yamamoto K.
Proc Natl Acad Sci USA  106(51):21585-90. (2009)

10. Binding of Chara Myosin Globular Tail Domain to Phospholipid Vesicles.
Nunokawa SY, Anan H, Shimada K, Hachikubo Y, Kashiyama T, Ito K,and Yamamoto K. 

Plant Cell Physiol 48(11),1558-1166. (2007)

11. Kinetic characterization tail swing steps in the ATPase cycle of Dictyostelium cytoplasmi dynein                                           
  Mogami T., Kon T. Ito K.. and Sutoh K. 

J Biol Chem  282 (30), 21639-21644 (2007).

12. Kinetic mechanism of the fastest motor protein, Chara myosin.                                       
    Ito K., Ikebe M., Kashiyama T., Mogami T., Kon T. and Yamamoto K. 

J Biol Chem  282 (27), 19534-19545 (2007).

13. Enzymatic activity and motility of recombinant Arabidopsis myosin XI, MYA1.                                                 
  Hachikubo Y., Ito K., Schiefelbein J, Manstein D. J. and Yamamoto K. 

Plant Cell Physiol. 48 (6), 886-91 (2007)

14. Chara myosin and the energy of cytoplasmic streaming.                                          
 Yamamoto K, Shimada K, Ito K, Hamada S, Ishijima A, Tsuchiya T, Tazawa M. 

Plant Cell Physiol 47 (10), 1427-31 (2006)
 
15. Importance of the converter region for the motility of myosin as revealed by the sudies on chimeric Chara myosins.                                                                            
Seki M., Kashiyama T., Hachikubo Y., Ito K. and Yamamoto K. 
J Mol Biol 344 (2),  311-315 (2004)

16. The Motility of Chara corallina Myosin was Inhibited Reversibly by 2,3-Butanedione Monoxime (BDM).                                                                   
 Funaki K,, Nagata A., Akimoto Y., Shimada K, Ito K, Yamamoto K.

Plant Cell Physiol 45, 1342-5 (2004)

17.  Recombinant motor domain constructs of Chara corallina myosin display fast motility and high ATPase activity.                                                                            
  Ito K., Kashiyama T., Shimada K., Yamaguchi A., Awata J., Hachikubo Y., Manstein D. J. and Yamamoto K. 
Biochem Biophys Res Commun  312 (4), 958-964. (2003)


18. Requirement of domain-domain interaction for conformational change and functional ATP hydrolysis in myosin.                                                                             
 Ito K., Uyeda T. Q. P., Suzuki Y., Sutoh K. and Yamamoto K.  

J Biol Chem  278 (33), 31049-57. (2003)

19. Some motile properties of fast characean myosin. 
Awata J., Kashiyama T., Ito K. and Yamamoto K. 
J Mol Biol  326 (3).  659-663  (2003)

20. Roles of hydrophobic triplet in the motor domain of myosin in the interaction between myosin and action.                                                                 
 Hachikubo Y., Ito K. and Yamamoto K.

J Biochem. 134, 165-171.  (2003)

21. Susceptibility of chara myosin to SH reagents.                                              
 Seki M., Awata J., Shimada K., Kashiyama T, Ito K. and Yamamoto K. 
Plant Cell Physiol  44 (2). 201-205.  (2003)