研究室・教員

研究室紹介

超分子機能学講座 Laboratory of Supramolecular Biology
超分子構造学グループ Group of Supra-molecular Structure

准教授
松浦 能行ヒトの疾患(がんなど)に関する構造生物学研究
准教授
成田 哲博クライオ電子顕微鏡による細胞骨格・モーター蛋白質の構造研究
講師
瀧口 金吾生体膜の動態の分子制御機構
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English
松浦 能行准教授

私たちは生物学的に重要な機能を担う生体分子(タンパク質、核酸、脂質)やその複合体の立体構造と動態の解析を基盤として生命現象の分子機構を深く理解しようとする学問に取り組んでいます。X線結晶解析、クライオ電子顕微鏡やNMRなど、多彩な手法を相補的に駆使した最先端の構造生物学研究を推進しています。また、構造解析だけでなく細胞生物学的・生化学的・生物物理学的な機能解析も自分たちの手で行い、学生が将来的に大きく伸びるための幅広い土台作りができるように、教育的配慮をしています。
 構造生物学は、生命機能の分子メカニズムの理解を飛躍的に進展させることができる、とても美しい学問です。また、たとえばヒトの疾患に関わるタンパク質の構造解析に基づいた創薬により、世のため人のために役に立つ学問でもあります。意欲ある学生さんの参加を心待ちにしています。

ヒトの疾患に関する構造生物学研究

私たちはこれまでに、細胞内輸送の分子機構など、生命機能の基本メカニズムを解明する構造生物学研究に取り組んできました。たとえばCRM1という運び屋タンパク質が、核膜孔を通して核から細胞質へ、さまざまなタンパク質やRNAを運び出す仕組みを明らかにしました。これまでの基礎研究の経験に基づき、現在は以下の3つのプロジェクトに研究が発展しています(今まさに創薬を見据えた基礎研究の一層の推進が必要とされており、これらの研究は「時代の要請」にかなうものでもあります)。
1)がんの発症と悪性化の分子機構の研究。発がんシグナル伝達経路の鍵分子の構造解析など、難治がんの治療戦略に新展開をもたらす創薬を指向した構造生物学研究に取り組んでいます。
2)免疫系の疾患に関わるシグナル伝達・遺伝子発現制御機構の研究。免疫系疾患の対症療法ではなく、根本的治療を可能にする創薬を指向した構造生物学研究に取り組んでいます。
3)神経系の疾患に関わるミトコンドリア動態制御機構の研究。神経変性疾患や神経発達障害の原因因子の作用機序を解明するための構造生物学研究に取り組んでいます。

アクチンフィラメントの研究

アクチンは全ての真核生物に存在し、多くの 生理的に 重要な役割を果たしています。アクチンは細胞の中で繊維状構造(アクチンフィラメント)を作り、その配置が細胞の形を決め、その変化が細胞を動かします。 細胞外との接着、細胞の分裂、筋肉の収縮、神経回路ネットワークの形成にもアクチンが主要な役割を果たしています。
 アクチンフィラメントは細胞内で、伸長、短縮を繰り返します。このフィラメントに様々なタンパク質が結合し、その動態を厳密に制御することによって、アクチンは多様な役割を果たします。しかし、登場人物は分かっていても、実際にどのような仕組みで、フィラメントが伸張短縮し、どのようにして、それが制御されているのか、未解明な点が多く残されています。アクチンフィラメントは直径8nmの細く、柔軟な繊維であるため、構造決定が困難であるからです。私たちは、高磁場を使うことでフィラメントの方向をそろえる技術を開発し、これとX線繊維回折法を組み合わせて、アクチンフィラメントの構造を明らかにしました。また、クライオ電子顕微鏡法を用いて、アクチンフィラメントの端の構造を決定する方法を開発し、Capping Proteinによるアクチンフィラメントの伸長、短縮停止メカニズムや、アクチンフィラメントの一端の重合、脱重合速度がなぜ他端よりも10倍以上も遅いのかを明らかにしました。最近では電子線トモグラフィーを用いて、細胞の中のアクチンフィラメント構造解析を開始、画像解析によって細胞内アクチンフィラメントの極性決定(フィラメントのどちらの端が重合が早い端であるかの決定)や、フィラメント結合蛋白質の細胞内位置決定がある程度できるようになりつつあります。
 一方で、タンパク質は溶液中で静的なものではなく、常に大きなゆらぎを持っています。私たちはX線結晶解析法、NMR法、計算機科学を組み合わせて、このゆらぎがアクチンフィラメント動態に与える影響の研究もしています。最近、Capping Protein制御蛋白質であるCARMILは、Capping Proteinに結合するときにキャッピングプロテインのゆらぎの方向を変えることによって、アクチンフィラメントとの結合を制御していることが示唆されました。

 また、私たちは、アクチン変異体の発現精製手法や、アクチンフィラメント結合タンパク質の結合位置を電子顕微鏡法で直接決定する手法も開発しました。これらの新しい手法を従来の手法と組み合わせて、いままでの方法では分からなかった、アクチンフィラメントがおりなすさまざまな生命現象を解明していきたいと考えています。

生体膜の動態の分子制御機構の解明

リポソーム(人工膜小胞)は生体膜の最も単純化したモデルで、多くの研究に用いられています。このリポソームの水溶液中におけるダイナミクスを、光学顕微鏡を使い直接リアルタイムで観察することによって、生体膜の動態を制御している分子機構の解明を目指しています。リポソームにアクチンを始めとする様々な細胞骨格系タンパク質、分子モーター、あるいは膜作用性ペプチド、界面活性剤を作用させたときに引き起こされる現象を観察し、その動的機構を解析していきます。

 

図1

アクチンフィラメントの構造解析

図2

F-BAR ドメイン蛋白質ファミリーによる膜突起形成

F-BAR ドメイン蛋白質ファミリーに属する蛋白質は、エンドサイトーシスやエクソサイトーシス、細胞内での膜小胞輸送などに働いていると考えられている。これらの現象は、何れもチューブ状に膜を変形させることが必要である。写真は、暗視野顕微鏡でリアルタイム観察された蛋白質による膜の変形の様子。これによって、同じファミリーに属する蛋白質でも、変形過程が異なることが初めて明らかにされた。

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