（様式第 20）成果報告書

共同利用 成果報告書 平成２４年度 課題種別

ATP 加水分解によって惹き起こされるミオシン分子モーターの変形運動に関する分子動力学シミュレーション
Molecular dynamics simulations of the transformational vibration of
myosin molecular motor due to the ATP hydrolysis

川久保 達之Tatsuyuki KAWAKUBO
桐蔭横浜大学 工学部
Faculty of Engineering, Toin University of Yokohama

筋肉の収縮はそれを構成するミオシンフィラメントとアクチンフィラメント間の相対的滑り込み運動によるものであり、そのような方向性のある運動はミオシン分子の頭部内に入ったアデノシン三リン酸（ＡＴＰ）の加水分解により誘発されることが知られているが、メカニズムは分かっていない。本プロジェクトでは、ＡＴＰの加水分解によって放出されるエネルギーがミオシン頭部の各原子の熱振動にどのような変調をもたらすかについて、100ns の分子動力学シミュレーションを行った結果、特に３００K の温度では、ＡＴＰの加水分解が各原子に対しある方向に偏った熱振動を励起する傾向のあることが明らかになった。
Muscle contraction is caused by directional movement of myosin heads along actin filaments.
This movement is triggered by ATP hydrolysis within the myosin head, but its mechanism remains
unknown. We carried out 100 ns all-atom molecular dynamics simulations at three temperatures
to investigate the effect of ATP hydrolysis upon thermal vibrations of atoms in the myosin head.
The results revealed that the thermal fluctuations are biased in one direction relevant to directedmovement of the myosin head.

Keywords: Muscle contraction, Myosin, Actin, ATP hydrolysis, Biased thermal vibrations

１． 背景と目的

そのメカニズムはまだ分かっていない。

人類は、ワットが発明した蒸気機関以来現代の内生体運動の典型的な例である筋肉は図１に示す

燃機関にいたるまで、化石燃料がもつ化学的エネルような階層構造をもっているが、その収縮は、生体系ギーを一旦高温の熱エネルギーに変え、それをさらに共通なエネルギー供給物質であるアデノシン三リに機械的ないしは電気的エネルギーに変換する方ン酸（ＡＴＰ）の加水分解によって駆動される筋肉中式によってエネルギー文明を構築してきた。今問題のミオシンフィラメントとアクチンフィラメント間の相対になっている原子力発電もエネルギーの元は原子核的な滑り込み運動によるものであることが１９５７年の結合エネルギーであるが、電気的エネルギーに変Huxley によって明らかにされた。アクチンフィラメン

えるのに、熱エネルギーを経由するという点では同じ

トは２本の数珠玉状分子の鎖を捩り合わせたようなである。熱エネルギーから力学的エネルギーへの変構造をしており、一方のミオシンフィラメントは頭部と換効率にはカルノー効率を越えられないという制約

尻尾からなる沢山の分子を尻尾の部分で束ねたようがある。それに引き換え、生体系は化学的エネルギな構造をしていて、両者の滑りこみ運動はミオシンのーを高温の熱エネルギーを経由することなくかなり頭部がその中に取り込んだＡＴＰの加水分解のエネ

高い変換効率で力学的エネルギーに変えているが、ルギーによって変形し、少し先にあるアクチン分子と（様式第 20）成果報告書
結合してはそれを引き寄せるというモデルが考えらであるから常に熱ゆらぎに支配されており、小刻みれていた。しかし滑り運動を続けるには結合と解離なランダム運動が観察されたのは当然であるが、確を繰り返さなければならず、そのような物理的モデル率的にせよ運動がなぜ一方向にドリフトするのかそを考えるのは難しいことであった。のメカニズムは分かっていない。それには、まず分子を構成する各原子の熱振動の詳細を調べることが必要であるが、各原子の位置を熱振動レベルの時間分解能で実験的に観察することは不可能である。そこでわれわれは数年前から、分子動力学シミュレーション専用のＰＣを使って１回のＡＴＰ加水分解が放出するエネルギーがミオシン頭部の各原子の熱振動にどのような変調をもたらすかについての計算機シミュレーションを行ってきた。その結果、ＡＴＰ加水分解による摂動が各原子の熱振動にある方向に偏った非対称性をもたらすことが分かったが、全体の run time が１０ns と短く、Ｘ線解析から予想される構造変化とつき合わせるには不十分であった。
本プロジェクトでは、run time を１００ns まで伸ばし、計算の対象をミオシンの頭部だけでなく軽鎖を含む尾部の一部まで広げ、さらに環境温度を２５０Ｋ、３００Ｋ、３５０Ｋに選んだ場合の違い、非線形系のランダム運動で考慮する必要がある初期値の違いによる効果などの検討も行った。その結果、各原子の熱振動の偏りとその結果得られる分子全体の平均構造の変化が、特に３００K の場合、Ｘ線解析から得られる構造変化と類似していることが分かった。アク

図１（ａ）筋肉の階層構造（ｂ）ATP の加水分解によるチンフィラメントとの相互作用による互いの滑りこみ

ミオシンとアクチンの相対運動の結果起こる筋収縮運動の発現は今後の問題であるが、ミオシン分子が柳田敏雄著「生物分子モーター」より常にランダムに振動しているものの、ＡＴＰの加水分解はその振動の対称性を破り、一方向へドリフトさせ１９９０年代の後半になり、阪大の柳田敏雄博士のグる要因となり得ると云える。

ループが蛍光色素で標識した１個のミオシン分子がアクチンフィラメントに沿って運動する様子を蛍光顕

２． 概要

微鏡で直接観察することに成功した。それによって、具体的には、図２に示すようなホタテガイのミオシ

ミオシン分子は１回のＡＴＰ加水分解によって一定のン分子Ｓ１（モーター部位、軽鎖および軽鎖結合部位

距離進むのではなく、常に小刻みにランダム運動をの全原子を含む）の構造解析データ（ＰＤＢ；1kk7）をしながら、ときおり確率的に前方にステップ状に進み、用いた。計算を実施するｘ、ｙ、ｚの座標は図に点線でときには後戻りすることもあることなどが明らかにな示した直交座標であり、ｘ座標は軽鎖を含む尾部にった。

沿ってとり、ｙ軸はミオシンが筋原繊維内にあるときミオシン頭部の大きさは１６nm 程度の小さなもののアクチンフィラメントの軸に平行にとった。

（様式第 20）成果報告書

yえる方法をとった。このようにして摂動を与えた時点からさらに１００ ns の間各原子の軌道計算を行う。

xI）と II）によって得られた各原子の軌道の違いがＡＴＰ加水分解の効果である。この効果が実際のアクトミオシン系ではどんな運動をしていることになるかを知るには軽鎖結合部位に属する原子を固定し、他の原子の運動はそれに対する相対的運動の形に変換すればよい。こうして得られた結果から、ＡＴＰ加水分解によってミオシン頭部が全体としてどんな動きをするか、またアクチンとの接触の可能性がある部分で、どこがどのように変形するかを明らかにすることができる。

x

分子動力学シミュレーションと呼ばれるこの計算では温度が重要な役割をもっているので、常温の３００K だけでなく、２５０K と３５０K の場合についてもシミュレーションを行いその違いを調べた。また、原子のz

熱運動という確率現象では時々刻々の原子の位置

図２ ホタテガイのミオシン分子Ｓ１の構造黄色の部ではなく、長時間にわたるその分布に意味があり、し分はＡＴＰの加水分解によって放出されたエネルギ

かも同じ温度で同じ摂動を与えるならば、その分布ーを分配して運動エネルギーを増加させた部位。先の変化が摂動を与える寸前の初期条件によらずに端にある白球は Lys 382 の位置。

常に同じ傾向をもたなければ生体としての機能をもつことにならない。そこで、まず２５０K, ３００K, ３５

ミオシン分子全体を多数の水分子からなる直方体の０K の各温度に対して５０ ns かけて熱平衡化した箱に浸けて、総数約１８万個の原子の集団とし、先後、そのまま１００ ns の間軌道計算をする上記

ず、５０ ns かけて３００ K の温度で熱平衡化する。

I ）のシミュレーションを行い、“ＡＴＰなし”のシミュレ

計算は周期的境界条件法により、ソフトはＡＭＢＥＲーションとする一方、ＡＴＰの効果を見る II ）の方は11 の GPU 版 pmemd モデュールを用い、時間刻I ）に遅れること 1 ns、2 ns、3 ns と各原子が違う位

みは 2 fs とした。熱平衡化した後、次の二つの条置と速度を持つ３つの時点でＡＴＰの摂動効果を入件でシミュレーションを行った。

れ、それぞれ１００ ns の間計算するシミュレーショ

I ) 何も摂動を加えず温度も３００K に保ったまま、さンを“ＡＴＰあり（１）”、“ＡＴＰあり（２）”、“ＡＴＰありらに１００ ns の間、各原子の軌道計算を続ける。

（３）”と名付けた。

II) ＡＴＰ分子１個が加水分解によって放出するエネ

実際の筋原繊維ではミオシンフィラメントの幹の部

ルギー 8.60×10-20 J をＡＴＰがミオシンに結分は動かずに頭部が揺れ動くことによってアクチンと合する際のγリン酸の位置から半径１０Å以内相互作用することが分かっているので、フィラメントににある８０個の主鎖原子（図２において黄色で近い軽鎖結合部位の原子位置を固定し、他の原子示した部分）に運動エネルギーとして分配する。の運動はそれに対する相対運動の形に変換した。

分配の仕方は熱平衡の状態でのある時点を選び、その時点で各原子が持っている速度に比例する大きさの付加速度をそれぞれの原子に与（様式第 20）成果報告書
３． 結果および考察
3.1 ミオシン頭部の先端にある Lys 382 中のα炭素60z[Å]

40

ATP なし20250KMD シミュレーションの対象としたホタテガイのミオシ-60 -40 -20 0-20y [Å]204060

ATP あり(1)80 100 120

y [Å]0-60 -40 -20 0-20-40-60z [Å]40200の運動

60204060

80 100 120-400~20ns-6020~40ns

ン分子の構造（PDB:1kk7）は主鎖に 1135 個のα炭素を含むが、そのうち頭部の先端にあって実際の筋原-80-100-8040~60ns60~80ns-10080~100ns-120-12060

繊維内ではアクチンフィラメントに近い部位にある Lys382 （図２における白球）の 1 ns 毎の位置のｙ－ｚ平面への投影図を図３に示す。温度が２５０K, ３００K,３５０K の場合について、それぞれ、“ＡＴＰの加水分解による摂動がない場合”と摂動を加えるが、その時刻を変えて各原子の位置と速度が違う３つ場合から出発させる “ＡＴＰあり（１）”、“ＡＴＰあり（２）”、“ＡＴＰあり（３）”の４枚の図を載せてある。

4040ATP あり(2)200-60 -40 -20 0-2060z [Å]y [Å]20406080 100 120-40-60-80-80-100-100-120-120300Kz [Å]20り、従って図３は図２の＋ｘの方向から見た Lys 382 の動きを表している。点の色やマークの違いは 100 nsの間の動きを 20 ns 毎に区別できるようにしたもので-60 -40 -20 0-2020406080 100 120-80-100にマイナス、ｚ成分がプラスであるのに対し、図３のＡＴ

204060~80ns

ATP なしz [Å]
20y [Å]
20406080 100 120

0-60 -40 -20 0-20-40-60-60に分子全体が変形したからである。

-80350K40ATP なし

全体が本来捩じれ運動に対して不安定であって、ＡＴＰによる摂動はその運動を助長し右回り方向（図の－ｚ方向）に偏らせる傾向があることを示唆している。これに対し温度が３５０K になると、運動の範囲に秩序だった傾向が見られず、異なる初期値から出発した（１）、（２）、いる。

20406080 100 120

z [Å]
40-60 -40 -20 0-20-40-60-80-80-100-100-120-12060-80-1004060

80 100 120

z [Å]
40ATP あり(2)204060

ATP あり(3)20y [Å]

0-60y [Å]
2060

z [Å]
40-60 -40 -20 0-20ATP あり(1)0-60

80 100 120-403.2 ＡＴＰ加水分解による分子全体の構造ゆらぎのモ

60-4020（３）の３つの分布も共通性がなくカオスの様相を呈して80 100 120

ATP あり(3)20y [Å]

0-60 -40 -20 0-2060-12020

円孤が－ｚ方向に伸びているのが分かる。これは頭部40-100ATP あり(2)z [Å]

ばっており、ＡＴＰの摂動があると特に３００K の場合、

y [Å]20-80-10060

ATP あり(1)40-40

見ると、いずれも原点付近を中心とする円弧状に散ら

100 12060がマイナスになっているのは、50 ns の熱平衡化の間-12080-120z [Å]

ところで、２５０K と３００K における点の散らばり方を60y [Å]
20-10040-60 -40 -20 0-2040z [Å]-80

40~60ns0

Ｐなしの初期状態ではいずれの温度でもｙがプラス、ｚ80 100 120-6020~40ns

80~100ns

6060-400~20ns-120ある。なお、図２での Lys 382 の位置はｙ成分が僅か

40600-60 -40 -20 0-20-40-60y [Å]2020y [Å]0

図３のｙ軸、ｚ軸は図２において点線で表わした軸であ-60 -40 -20 0-20-6040ATP あり(3)0-4060z [Å]

20y [Å]

0-60 -40 -20 0-2020406080 100 120-400~20ns
20~40ns

40~60ns60~80ns-60-80-10080~100ns

ード変化-120-120

３次元的に配列する原子集団が揺らいでいる状況を

図３ Lys 382 の 1 ns 毎の位置のｙ-ｚ平面への投影図

２次元の図面で表現するのは難しいので、ミオシン分ns 毎にどう変形するかを描くことによって構造ゆらぎを子の主鎖を一続きの緑色の紐で表わし、その紐が 10表したのが図４である。温度は 250K, 300K, 350K

（様式第 20）成果報告書の３つの場合であり、それぞれについて三方向から見250Kた“ＡＴＰなし”と“ＡＴＰあり”の構造ゆらぎの図を比較して横に並べた。図中にある黒い線は、“ＡＴＰなし”の平均構造を表す線で、同じ線を対応する右側の“ＡＴＰあり”の図中にも記入して、ＡＴＰ加水分解によって本来の平均構造からどれだけずれるかが分かるようにした。
この図によると、250K ではＡＴＰによる摂動を与えたときでも構造のゆらぎはＡＴＰなしの場合の平均構造からそれほどはみ出さないが、300K では、ＡＴＰありの場合、頭部が尾部との接合部を蝶番いにして－ｚ方向へ回転する形で大きくはみ出している。これは図３において 300K では Lys 382 のα炭素の運動が円孤上を右回りの方へ伸びていることに対応する。さらに高温のATP なし

ATP あり350K では構造ゆらぎはさらに広がり、しかもその広がる方向は図には示していないが、図３で述べた初期値

300Kが違う（１）、（２）の場合は違った方向になり秩序性がない。
以上を要約すると次のようになる。ミオシンＳ１の構造解析データ（PDB:1kk7）を用いて、ミオシンを構成する原子の熱運動がＡＴＰの加水分解によってどのように変調されるか、250K, 300K, 350K の 3 つの温度で 100
ns の MD シミュレーションを行った。その結果、軽鎖を含む尾部を固定したとき、頭部は尾部との接合部を蝶番いとするような捩じれ運動を起こすことが分った。その運動の方向はミオシンが筋原繊維の中におさまってATP なし

ATP ありいる際には、アクチンフィラメントの軸に垂直な方向で350Kある。この変形運動は温度が 300K の時に顕著に現れ、250K ではその兆候はあるものの弱く、350K では逆に運動が激しくカオス的であり、秩序立ったモードは認められない。
3.3 考察上にのべたようなミオシン分子のＡＴＰの摂動による変形運動は、急速凍結電子顕微鏡法や X 線溶液散乱による構造解析の実験でも示唆されている構造変化に対応しており、筋肉収縮の分子論レベルでの初段階のメカニズムとして極めて興味深い結果であると思われる。ミオシン分子がアクチンフィラメントと相互作用して互いに滑り込む運動をするのに、ミオATP なし

ATP ありシン頭部に励起された運動がアクチンフィラメントの軸と垂直な向きであるのは都合が悪そうであるが、図４ ミオシン分子の構造の揺らぎ

（様式第 20）成果報告書
アクチンフィラメントは図１に示すように球状アクチンがつながった二本の鎖の二重らせん構造をしていて、滑り込み運動はらせんを回転させるようなトルクが働くことによって実現しているとする蛍光顕微鏡観察の知見がある。
４． 今後の課題
ここで得られた結果は膨大な計算データに基づくものであるが、それでもまだ 1 個のミオシン分子の僅か１００ナノ秒間の挙動に過ぎない。実際の現象はアクチンとの相互作用を考えなければならないし、蛍光顕微鏡で観測される事象と照らし合わせるには数百ミリ秒の時間スケールを必要とする。しかし実験的にアクセスできない時間・空間内でのメカニズムの解明だからこそ、大型計算機によるシミュレーションが今後ますます重要になると考えられる。
生体系でのエネルギー変換の問題は物理的にはまだほとんど解明されていない問題を含んでいる。
例えば今回のシミュレーションは、タンパク質が機能を発揮するには、約 300K という地球環境の温度とそれに準じた生体の体温が重要な役割を果たしていることを示唆しているが、それは非線形な複雑系特有の現象であろう。ＡＴＰの加水分解がもたらす摂動がミオシンを構成する複雑な構造の原子集団の熱振動をうまく変調して機能させるものと考えられる。
熱力学的温度である、各原子の平均運動エネルギーが小さ過ぎれば機能発現まで至らないし、大き過ぎてもカオス的になって機能しないようである。そしてエネルギーの大小だけの問題でなく、分子内のどの部位にトリガーを与えるかも重要なことであろう。
その意味で、ＡＴＰの加水分解が与えるシグナルは“情報”というほど高度なものではないにしても、“意味のあるトリガー（Semantic trigger）とでもいうべきシグナルではないかと思う。
スーパーコンピュータによるシミュレーションは、実際には起こり得ない virtual な条件でも自在に計算を実行できるから、今後、生体系における機能発現のメカニズムを対象とする全く新たな学問領域を切り拓くのに重要な手段であると考えられる。