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研究用

ダイニン:チームとして強力に作用するモータータンパク質 CYTOSKELETON NEWS 2013年11月/12月号

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CYTOSKELETON NEWS 2013年11月12月号 ダイニン:チームとして強力に作用するモータータンパク質

ダイニン:チームとして強力に作用するモータータンパク質

真核細胞において、微小管(MT)のマイナス端に向かって物質を輸送させることが知られているモータータンパク質は、細胞質ダイニン複合体(CDC;cytoplasmic dynein complex)及びキネシン-14ファミリーメンバーだけです1。この機能は、細胞の代謝、構造、移動にとって非常に重要です。これらのプロセスの大部分はCDCの高い忠実度及び安定した進行性の運動を利用しています。CDCの幅広い役割は印象的で、さらに輸送物質又は細胞内の位置を選択する補助的なタンパク質としても定義されます。これらのプロセスの多様な例として、a)ニューロンの樹状突起への物質輸送2、b)有糸分裂染色体運動3、c)アポトーシスへのプレカスパーゼ経路4、d)ミトコンドリアの運動及び分裂5、e)アミロイド前駆タンパク質の小胞輸送6、などがあげられます。同様に、これらの機能の補助的なタンパク質には様々なものがあり、ほんの少し例を挙げると、プレセニリン、LIS1、NUDEL、NuMA、ダイナクチン接着p150、Miro、Milton、BimL、BimELなどがあります。

興味深いことに、CDCのモータードメインの構造は、実際のメカニズムを表すかのように、ねじれギアのようなデザインになっています7(図1)。各ダイニン分子は、6つのドメインのリングモーターヘッド、輸送物質に結合する20nmのコイルドコイルアミノ末端尾部、末端に小さいMT結合ドメインを持つ9nmのコイルドコイル首部から成ります。リングの6つのドメインには、最大で4つのATP分子が結合し、そのうち1つはパワーサイクルにATPを加水分解し、残りの3つはレギュレーター又はスイッチとして機能するために平衡化しています。5番目、6番目のドメインは、アデニン結合モチーフ(P-ループ)を持たないため、ATPは結合できません。ねじれギア機構は、6つのドメインが、低負荷では膨張され、高負荷では圧縮されることによって起こっていると考えられます。更により高い負荷では、CDCがMT表面上で横になり、プラス端への移動を止めるcatch-bondを形成します。

MT上を移動するためのモーターに利用される機構には、シングルヘッドの1ステップ、ダブルヘッドの複数ステップ、スタッターステップ、線形拡散などいくつかあります8-10。最もよく知られているのは、キネシン重鎖(KHC、キネシン-1のサブファミリー)や細胞質ミオシンのような、ダブルヘッドモータータンパク質の複数ステップです。これらのモーターは、スピードやギアのコントロールなしに動き、CDCと比べて同程度の仕事量で、しばしばMTから外れます。対照的に、CDCは、例えば、in vitroにおいて24-36nm程度ステップ移動しますが、これはチューブリンヘテロダイマーの3つから4つ分の長さに相当します11。CDCが9nmのスペーサー距離(MTに対するモーター)を持つ二量体として存在することから考えると、この距離は驚異的ですが、モータードメインが、ミオシンやキネシンのように互いに密接に結合はしておらず、輸送物質を結合している部位から考えると、そのスペーサー距離は更に15nm長くなります(図1)。in vitroでは、輸送物質が細胞マトリクスに引きずられることがなく、モーターにかかる負担は大きくありません。in vivoでは、CDCの動きは大きく異なり、負荷状態では移動距離は8nm(チューブリンヘテロダイマー1つ分の長さに相当)に減少します12。このように、CDCは、負荷状態によってそのステップサイズを変化させ、MTとのコンタクトを維持します。

CYTN201311_2.jpg
図1 ねじれギアメカニズムと微小管(MT)の「catch-bond」の模式図
CDCの6つのモータードメインを、オレンジ(緩和状態)、又は赤(高負荷で圧縮された状態)で示す。また、更に高い負荷で、MT上に圧縮された状態を紫で示す。

 

近年、いくつかの研究グループの生細胞を用いた精巧な顕微鏡観察により、ダイニンがin vivoでどのように動き、そのコントロールを維持しているかが明らかになりました11-15。これらのグループは、初期の研究を以下のように改良しました。
a)移動距離を測定するために、レーザーに捕捉された小胞を利用、b)データを直線軌跡(<5%角度)に限定、c)一方向への失速及び走行を正確に定義、d)互いに負に作用する対立するモーターの指標として失速した小胞の幅を測定、e)均一なモータータンパク質構成(KHC及びCDCのみ)を示す、遅いエンドソーム小胞を利用

in vivoでMTマイナス端へ移動する小胞が観察された場合、その小胞はプラス端方向にも移動したり、立ち往生したりもします。実際には、小胞の運動が、KHCによるものからCDCによるものに変化し、後退します。この概要は、直感的なものではなく、CDCの存在だけを期待するかもしれません。Mallikのグループは、この動きを詳細に研究し、動く小胞で生じる力を算出するために、レーザートラップを利用しました12。大部分のケースで、プラス端方向(KHC)へ5-6ピコニュートン(pN)、マイナス端方向(CDC)へ5-8pNの動力が測定されました。in vitroでの測定から、この動力は、KHCダイマー1つとCDC複合体5-10個が存在していることを反映しています。測定を実行してからの運動の長さは、5:1の比率(6nm CDC/1.2nm KHC)で、マイナス端方向に優位に動いています。更に、失速後の速度とステップサイズは、両方ともCDCのマイナス端方向が、1.5-2.0倍高く測定されました。これらの見地は全て、マイナス端方向への動きを産出するように組み合わされています。筆者らは、ダイニンは、各分子が1pNの力に寄与し、それらがチームとして強力に機能するという結論でまとめ、ダイニンがMTとcatch-bondを形成し、プラス端方向への移動を妨げるという見解に広げました16

要約すると、ダイニンは、進化的にユニークな、機械化学的なギアモーターで、複数のモーターの効果を組み合わせることで、強力な動力をもたらします。また、MTと強力にcatch-bondを形成し、KHCモーターと逆の動力を持ちます。サイトスケルトン社では、低負荷及び高負荷のMT刺激CDC ATPaseアッセイを開発しました。これにより、Firestoneらの報告17のようなインヒビターやエンハンサーの同定が可能です。ダイニンも、製法をカスタマイズしたタンパク質として提供可能です。詳細はお問い合わせください。

参考文献

1. Paschal B.M. & Vallee R.B. 1987. Isolated flagellar outer arm dynein translocates brain microtubules in vitro. Nature. 330, 672-674.
2. Sasaki S. et al. 2000. A LIS1/NUDEL/cytoplasmic dynein heavy chain complex in the developing and adult nervous system. Neuron. 28, 681-696.
3. Merdes A. et al. 1996. A complex of NuMA and cytoplasmic dynein is essential for mitotic spindle assembly. Cell. 87, 447-458.
4. Puthalakath H. et al. 1999. The proapoptotic activity of the Bcl-2 family member Bim is regulated by interaction with dynein motor complex. Mol. Cell. 3, 287-296.
5. Schwarz T.L. 2013. Mitochondrial trafficking in neurons. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. doi 10.1101/cshperspect.a011304.
6. Gunawardena S. et al. 2013. Presenilin controls kinesin-1 and dynein function during APPvesicle transport in vivo. Hum. Mol. Genet. 22, 3828-2843.
7. Vallee R.B. et al. 1988. Microtubule-associated protein 1C from brain is a two-headed cytosolic dynein. Nature. 332, 561-563.
8. Hirokawa N. 1998. Kinesin and dynein superfamily proteins and the mechanism of organelle transport. Science. 279, 519-526.
9. Kull F.J. & Endow S.A. 2013. Force generation by kinesin and myosin cytoskeletal motor proteins. J. Cell Sci. 126, 9-19.
10. Vallee R.B. et al. 2012. Multiple modes of cytoplasmic dynein regulation. Nat. Cell Biol. 14, 224-230.
11. DeWitt M.A. et al. 2012. Cytoplasmic dynein moves through uncoordinated stepping of AAA+ ring domains. Science. 335, 221-225.
12. Rai A.K. et al. 2013. Molecular adaptations allow dynein to generate large collective forces inside cells. Cell. 152, 172-182.
13. Soppina V. et al. 2009. Tug-of-war between dissimilar teams of microtubule motors regulates transport and fission of endosomes. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 19381- 19386.
14. Qiu W. et al. 2012. Dynein achieves processive motion using both stochastic and coordinated stepping. Nat. Struct. Mol. Biol. 19, 193-200.
15. Dufrene Y.F. et al. 2011. Five challenges to bringing single-molecule force microscopy into live cells. Nat. Methods. 8, 123-127.
16. Kunwar A. et al. 2011. Mechanical stochastic tug-of-war models cannot explain bidirectional lipid droplet transport. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 18960-18965.
17. Firestone A.J. et al. 2012. Small molecule inhibitors of AAA+ ATPase motor cytoplasmic dynein. Nature. 484, 125-129.

モータータンパク質

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
Dynein (Cytoplasmic), Porcine詳細データ CYT CS-DN01 1*50 UG
¥120,000
MKLP2 motor domain (human recombinant), Human詳細データ CYT CS-MP05 1*50 UG
¥119,000
KIF7 motor domain, Human詳細データ CYT CS-KF51 1*100 UG
¥107,000
Cardiac Myosin S1, Bovine詳細データ CYT CS-MYS03 1*250 UG
¥92,000
Skeletal Muscle Myosin S1, Rabbit詳細データ CYT CS-MYS04 1*250 UG
¥92,000
Myosin S1 Fragment (smooth), Chicken詳細データ CYT CS-MYS05 1*250 UG
¥92,000
Myosin S1 Fragment (non-muscle), Bovine CYT CS-MYS06 1 EACH
[1 x 250 μg]
販売終了
Lyophilized Thin Filaments, Bovine詳細データ CYT CS-TFC01 1 MG
[1 x 1 mg]
販売終了
Tropomyosin/Troponin Complex, Bovine詳細データ CYT CS-TT05 1 MG
[1 x 1 mg]
¥87,000
CENP-E Motor domain (Hm.sap.)詳細データ CYT CP01-A 2*25 UG
¥99,000
Chromokinesin Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT CR01-A 2*25 UG
¥99,000
Eg5 Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT EG01-A 2*25 UG
¥107,000
BimC Motor Domain詳細データ CYT BM01-A 2*25 UG
¥107,000
Eg5 Homolog BimC Motor Domain Protein詳細データ CYT EG02-A 2*15 UG
¥107,000
KIFC3 Motor Domain (Hm.sap)詳細データ CYT KC01-A 2*25 UG
¥107,000
KIF3C Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT KF01-A 2*25 UG
¥107,000
KHC Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT KR01-A 2*25 UG
¥107,000
MCAK Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT MK01-A 2*25 UG
¥107,000
MKLP Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT MP01-A 2*25 UG
¥107,000
Pre-formed Microtubles, Porcine詳細データ CYT MT002-A 4*500 UG
¥120,000
Pre-formed Microtubles, Porcine詳細データ CYT MT002-XL 1*10 MG
¥380,000
Pre-formed actin filaments (rabbit skeletal muscle), Rabbit詳細データ CYT AKF99-A 1*1 MG
¥55,000
Pre-formed actin filaments (rabbit skeletal muscle), Rabbit詳細データ CYT AKF99-B 5*1 MG
¥196,000

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