2-7 生体高分子の機能解明と産業利用に向けた統合的基盤研究●代表者

金子寛生（物理生命システム科学科教授）●分担者

斎藤稔（物理生命システム科学科教授）

茶圓茂（物理生命システム科学科 教授）

中里勝芳（物理生命システム科学科教授）【研究の目的および概要】
生体高分子，その中でも特に重要なはたらきを担っているタンパク質を研究対象の中心とし，その機能について原子レベルで解明することを目指す。それに基づき，様々な生命現象の仕組みに関するより深い理解を目指す。また，いくつかのタンパク質については，それらの産業への利用に視野を向けた応用的側面についても可能な限り検討を試みる。
本研究の最大の特徴としては，1 つの研究対象（生体分子もしくは生命現象）に対して，生化学・生理学・生物物理学・構造生物学・計算機化学などの多角的視野から，統合的な考察と検証を行っていく共同研究姿勢にある。このような体制は，生命科学におけるそれぞれの異分野のスペシャリストが集まった本学科の特長を最大限に生かしたものといえる。
具体的な研究テーマについて大きく分類すると，以下の 3 つを挙げることができる。
1. 新規なバイオセンシング・バイオマシン・バイオイメージング技術開発のためのタンパク質分子の機能解明
2. 脳，神経，筋肉などの作用機構およびそれらの分化・発生機構の解明
3. 生体中もしくはそこから学習したエネルギーに関する効率的利用法の開発
これらの基盤研究を通じて，診断や創薬などの医療産業分野，食品・化学産業分野あるいはエネルギー産業分野への応用技術の開発を目指した。
今年度は，遺伝性難聴の分子機構，アクチンフィラメントの滑り運動，マウス脳海馬および軟体動物中枢神経系の情報処理機構，高効率かつ新規な水力発電装置野開発について特に詳細な研究を行った。
【研究の結果】
優性遺伝性難聴 DFNA2 の原因遺伝子 KCNQ4 遺伝子と呼ばれ，その遺伝子産物はカリウムイオンチャネルの 1 種である。この立体構造モデルを作製し，Y270H 変異について調べた。その結果，K+ に対する電気的な斥力が生じる可能性と，ヘリックス双極士間の相互作用を弱めることによるチャネル構造全体の不安定化の可能性から，イオンの透過を二重に阻害するメカニズムを提案した。 金子
画像生理的手法を用いてマウス脳海馬および軟体動物中枢神経系の情報処理機構を調べた。その結果，レーザー共焦点イメージング法により海馬におけるカルシウム信号へのストレスホルモン（コルチコステロン）の作用が詳細に明らかにされ，CA1領域樹状突起層の特にdistal側でコルチコステロンが大きな抑制作用を示すことが分かった。また，
膜電位イメージング法によりナメクジ嗅覚系では匂い刺激に伴い多数の神経細胞が同期的に活動することが分かった。 斎藤
アクチンミオシン再構成運動系における抗 RLR（反応性の高い Reactive Lysine Residue）抗体の効果を調べた。抗
RLR 抗体 0.038mg/ml で 50％，0.079 mg/ml で 25％の滑り速度に低下し，0.138mg/ml では，完全にアクチンフィラメントの滑り運動は阻害された。しかしながら，抗 RLR 抗体（0.36mg/ml）はアクチン存在下ミオシン ATP 分解活性を阻害しなかった。

茶圓

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揚力駆動の新型流水発電装置を作製した。最大 5 個の羽（翼型 NACA0015）が流水方向に対して直角方向に往復直線運動を繰り返す力を高効率で回転運動力に変換して発電することが可能になった。回流水槽を用いた発電実験の結果，羽の間隔が翼弦長の 2 倍程度になると羽どうしの干渉がほとんどなく，羽 1 枚当りの発電力は向上した。中里【研究の考察と反省】
遺伝病のメカニズムについて，分子レベルで考察できた点は評価に値するものと考える。しかし，膜蛋白質の初期構造予測は非常に難しいため，今回は詳細な分子動力学計算によるエネルギー計算を行えていない。 Y から H への変異による正確な自由エネルギーの変化を計算で見積もるには，初期構造の正確さに加え，シミュレーション方法自体においても克服するべき様々な問題の解決が必要となる。 金子
ストレスホルモン（コルチコステロン）はマウス脳海馬におけるカルシウム信号に対して CA1 領域樹状突起層のproximal 側より distal 側で大きな抑制作用を示したが，これは NMDA 受容体と電位依存性カルシウムチャネルの分布の違いによるものと考えている。ナメクジ嗅覚系では匂い刺激に伴い同期的な神経活動が見られたが，その起源を明らかにすることが今後の課題である。 斎藤
反応性の高いリジン残基部位（Reactive Lysine Residue）を化学修飾すると，アクチン活性化ミオシン ATP 分解活性および再構成系運動系でのアクチンの滑り速度を阻害すると報告されている。しかし，今回の RLR 抗体はアクチン活性化ミオシン ATP 分解活性には影響を与えず，アクチンの滑り運動には影響を与えた。これは ATP 分解活性とアクチン滑り運動との間に密接な関係がないことを示している。 茶圓
流水方向に対する羽のピッチ角を± 50 度に固定して実験をしたが，ピッチ角は流水速度，羽の移動速度及び負荷の程度で決まる値であり，今後これらを変化させた実験を行うことにより，自然環境下の流水速度に適しピッチ角を算出する方法を見出したい。 中里【研究発表】
学会
難波一徳，金子寛生，松永達雄“ 聴神経障害の原因となる新規変異型 OPA1 の予測構造を用いた病的メカニズム ”（2011）
Okubo, H., Shimokawa, T., Mogami, T., Chaen, S.
Observation of sliding movement of actin filament changing the myosin filament track.
第 49 回日本生物物理学会 , 2011. 9.18. 姫路
Koyama, T., Maruta, T., Hukushima, Y., Iwai, S., Chaen, S.
Mutating the SH1 helix region of Dictyosterium myosin II impairs actin-myosin motility.
第 49 回日本生物物理学会 , 2011. 9.18. 姫路
Tadashi Tojo, Naoki Ogawa, Akira Ishikawa, Shigeru Chaen.

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第 84 回日本生化学会大会

Development of methods to observe a living cell and macromolecules in aqueous solution with scanning electron
microscope at nanometer resolution
56th Biophysical society Annual Meeting, Feb 25-29, 2012
SAN DIEGO, CaliforniaHaruo Sugi, Takakazu Kobayashi, Shigeru Chaen, Takuya Miyakawa, Masaru Tanokura, Yasutake Saeki, Hiroki Minoda
Definite difference between in vitro actin-myosin sliding and muscle contraction revealed by the effect of antibody tomyosin head converter domain.
56th Biophysical society Annual Meeting, Feb 25-29, 2012
SAN DIEGO, California
チャコウラナケクジ嗅覚神経節における神経活動パターンの膜電位イメージング
浜崎雄太，中川聡，小山内裕美，小松崎良将，向井秀夫，斎藤稔
第 20 回日本バイオイメージング学会学術集会，2011 年 8 月 31 日〜 9 月 2 日，千歳
モノアラガイの巨大ニューロンに見られる複雑な活動パターンとその膜電位イメージング
細井誠，仲田正吾，小山内裕美，小松崎良将，向井秀夫，斎藤稔
第 20 回日本バイオイメージング学会学術集会，2011 年 8 月 31 日〜 9 月 2 日，千歳
NMDA 刺激によるマウス脳海馬のカルシウム信号に対するコルチコステロンの急性作用−レーザー共焦点イ
メージングによる解析
金セワ，島崎亮，鈴木章義，小山内裕美，小松崎良将，向井秀夫，斎藤稔
第 20 回日本バイオイメージング学会学術集会，2011 年 8 月 31 日〜 9 月 2 日，千歳
チャコウラナメクジ嗅覚系の電気的振動パターンのウェーブレット解析
浜崎雄太，細井誠，小松崎良将，向井秀夫，斎藤稔
第 34 回日本神経科学大会，2011 年 9 月 14 日〜 9 月 17 日，横浜
ナメクジの嗅覚神経系モデルのためのパルス型ハードウェアニューラルネットワーク
齊藤健，増本秀史，浜崎雄太，関根好文，斎藤稔
第 34 回日本神経科学大会，2011 年 9 月 14 日〜 9 月 17 日，横浜
耐熱性酵素を用いた乳酸バイオセンサの開発
市川麻衣，山崎薫，島崎亮，斎藤稔第 1 回 CSJ 化学フェスタ，2011 年 11 月 13 日〜 15 日，東京

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モノアラガイ中枢神経系の巨大ニューロンの神経活動
加藤功弥，細井誠，仲田正吾，斎藤稔，小松崎良将
平成 23 年度理工学部学術講演会，2011 年 11 月 26 日，東京
陸生軟体動物チャコウラナメクジの前脳葉における電気生理的研究
田中裕一，浜崎雄太，斎藤稔，小松崎良将
平成 23 年度理工学部学術講演会，2011 年 11 月 26 日，東京
LabVIEW を用いた二酸化窒素濃度検知に対する一検討
金森洋介，佐伯勝敏，斎藤稔，関根好文
平成 23 年度理工学部学術講演会，2011 年 11 月 26 日，東京
櫛型電極を用いた匂いセンサに対する一検討
浅井信ノ輔，佐伯勝敏，斎藤稔，関根好文
平成 23 年度理工学部学術講演会，2011 年 11 月 26 日，東京
チャコウラナメクジ嗅覚神経系における時空間活動パターンの非線形解析
浜崎雄太，斎藤稔
第 21 回非線形反応と協同現象研究会，2011 年 12 月 17 日，広島
軟体動物モノアラガイの中枢神経節における時空間活動パターンの膜電位イメージング
仲田正吾，細井誠，斎藤稔
第 21 回非線形反応と協同現象研究会，2011 年 12 月 17 日，広島
ナメクジ嗅覚中枢の振動パターンを生成するパルス形ハードウェアニューラルネットワークの検討
増本秀史，齊藤健，斎藤稔
第 21 回非線形反応と協同現象研究会，2011 年 12 月 17 日，広島
チャコウラナメクジ嗅覚神経系に見られる時空間活動パターンとその非線形解析
浜崎雄太，斎藤稔
日本生物物理学会関東地区研究会，2012 年 3 月 5 日〜 6 日，東京
トリメチルアミン濃度検出用匂いセンサに対する検討
浅井信ノ輔，金森洋介，佐伯勝敏，斎藤稔，関根好文
2012 年電子情報通信学会総合大会，2012 年 3 月 20 日〜 23 日，岡山28

第 6 回再生可能エネルギー世界展示会
発表テーマ：流水による羽根の往復直線運動で高効率電力−新規動力変換機構の開発及び羽への付着物除去自動化への試み−
2011 年 12 月 5 〜 7 日 1 ／幕張メッセ
論文
Kazunori Namba, Hideki Mutai, Hiroki Kaneko, Sho Hashimoto and Tatsuo Matsunaga
Title : In silico Modeling of the Pore Region of a KCNQ4 Missense Mutant

from a Patient with Hearing Loss

Journal: BMC Research Notes in press
嗅覚中枢の振動パターンを生成するパルス形ハードウェアニューラルネットワークのIC化に対する検討, 齊藤健,
増本秀史 , 内木場文男 , 関根好文 , 斎藤稔 , 電気学会研究会資料 ECT-11-101, 55-60.
The binding site for acute corticosterone effects on N-methyl-D-aspartate receptor-mediated Ca2+ signals in mouse
hippocampal slices, Hiromi Osanai, Akiyoshi Suzuki, Yoshimasa Komatsuzaki, Hideo Mukai, Suguru Kawato,Minoru Saito, Journal of Biophysical Chemistry 2（2011）430-433.

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