2-10 タンパク質の構造と機能に関する統合的基盤研究●代表者

末永敦（生命科学科・准教授）●分担者

中里勝芳（生命科学科・教授）
茶圓茂（生命科学科・教授）

斎藤稔（生命科学科・教授）

安原徳子（生命科学科・准教授）【研究の目的および概要】
本研究の目的は，生命現象，特に生体の中で重要なはたらきを担っているタンパク質を研究対象とし，その構造と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や疾病，生体エネルギー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。
本研究では，以下の 5 つのテーマについて統合的な考察と検証を行った。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）細胞の分化・発生に関する遺伝子制御機構の解明，3）脳の学習・記憶のメカニズムの解明，4）植物の光合成を模倣した人工光合成システムの開発，5）創薬に向けた高機能性分子の計算化学的分子設計。
これらの統合的研究を通じて，医療，食品，化学，エネルギー等の産業分野への応用技術の開発を目指していく。
【研究の結果】（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：
37 度が至適生育温度のカビ Aspergillus nidulans からキネシン DNA をクローニングし，キネシン（AnKinA）を大腸菌に発現させた。また積雪下で生育するカビ Sclerotinia borealis のキネシンのアミノ酸配列との違いから
AnKinA キネシンに低温適性をもたすと期待して，60 番目のプロリンをグリシンに置き換えた AnKinA-P60Gを大腸菌に発現させ，この 2 種類のキネシン一分子の発生する力を光ピンセット法で測定した。その結果，
AnKinA, AnKinA-P60G の発生する力はそれぞれ 5.09±0.64 pN，5.40±0.94 pN であった。
（2）細胞の分化・発生に関する遺伝子制御機構の解明：細胞核へのタンパク質輸送を担う核輸送因子が，クロマチン結合を介して遺伝子発現制御に関わることを掴んだ。また，このクロマチン結合の分子メカニズムを明らかにしつつある。
（3）脳の学習・記憶のメカニズムの解明：哺乳動物や軟体動物を実験動物として，脳における電気的な神経活動やカルシウム動態・一酸化窒素（NO）動態を，それぞれ多点電位記録システムと蛍光イメージング・レーザー共焦点イメージングを用いて測定した。結果として，マウス海馬スライスにおいてある部位に電気刺激を行うと，それによって引き起こされるカルシウム信号に刺激箇所によって異なる様々な時空間パターンが現れることを明らかにした。また，ナメクジの嗅覚中枢神経である前脳葉では NO が常に一定の速度で合成されており，忌避性の匂い刺激によってその合成速度が増加することを明らかにした。
（4）植物の光合成を模倣した人工光合成システムの開発：大腸菌から精製した ATP 合成酵素をリポソーム膜に再構成し，膜電位により水素イオン濃度勾配を発生させたところ，ADP とリン酸から ATP が合成されることを確認

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した。
（5）創薬に向けた高機能性分子の計算化学的分子設計：RNA アプタマー分子の計算科学的手法を用いた分子設計基盤技術の開発を行った。既知の RNA アプタマーを用い，その基盤技術の評価を行ったところ，実験データと計算値で相関が見られ，その有効性を示すことができた。
【研究の考察・反省】（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：
キネシン 1 分子の発生する力は 5 〜 8 pN であると報告されている。今回の結果はこの範囲にある。AnKinA と低温適性を期待した AnKinA-P60G の発生する力に差は認められなかった。測定温度が今回 20 度なので，低温適性を調べるのなら低温で力測定を行うべきだと思うが，装置環境を低温にするのは困難であった。低温で測定できる実験環境を考えなければならない。
（2）細胞の分化・発生に関する遺伝子制御機構の解明：核輸送因子がクロマチン結合を介して遺伝子発現制御に関わる分子メカニズムを明らかにした。今後は，核輸送因子による遺伝子発現制御が胚性幹細胞にどのような役割を果たすか調べる必要がある。
（3）脳の学習・記憶のメカニズムの解明：マウス海馬スライスにおけるカルシウム信号の様々な時空間パターンに対してある種の数理解析を行うことにより，それらはいくつかのパターンに分類され，さらにそれらの類似性を評価できることが分かった。ナメクジの前脳葉では忌避性の匂い刺激によって NO の合成速度が増加することを明らかにしたが，前脳葉を構成する 3 つの部位においてその増加の度合いに違いがあるかを詳細に評価することはできなかった。今後，実験系の改良が必要である。
（4）植物の光合成を模倣した人工光合成システムの開発：ATP 合成酵素とバクテリオロドプシンをリポソーム膜に再構成し，光照射によるATP合成を試みたが，ATPの合成は認められなかった。今後，再構成の条件を検討する。
（5）創薬に向けた高機能性分子の計算化学的分子設計：RNA アプタマーの分子設計基盤技術を開発し，既知のRNA アプタマーを用いて評価を行ったところ，実験値と計算値の間で相関が見られたが，更なる高精度化と効率化が必要である。そのため，より多くのパラメータを用いた検証を行う必要がある。
【研究発表】（1）「糸状菌キネシンへの 1 残基置換が低温適性をもたらす代わりに熱安定性を損なう」清水洋輔，外川徹，茶圓茂
第 56 回日本生物物理学会 2018.9（2）「Nuclear transport receptor importin α2 affects maintenance of undifferentiated state by two functions, nuclear
transport and interaction with genomic DNA in mouse ES cells」地引和也，前原一満，平田早季，仙波雄一郎，野上順平，堀越直樹，田口裕之，米田悦啓，斉藤典子，木村宏，胡桃坂仁志，大川恭行，安原徳子

第 70 回日

本細胞生物学会 第 51 回日本発生生物学会 合同大会 2018.6（3）「Nuclear transport and cell proliferation」浅野僚二，安原徳子 第 70 回日本細胞生物学会 第 51 回日本発生生物学会 合同大会 2018.6（4）「核輸送受容体 importin αによる遺伝子発現制御機構」安原 徳子 大阪大学蛋白質研究所セミナー「細胞核とクロマチン構造が操る高次生命現象」2018.8 オーガナイザー（5）「Nuclear transport receptor importin α2 plays role in differential regulation of ES cells by two functions, nuclear
transport and interaction with chromatin」 地引和也，前原一満，平田早季，仙波雄一郎，野上順平，堀越直樹，田口裕之，米田悦啓，斉藤典子，木村宏，胡桃坂仁志，大川恭行，安原徳子 第 91 回 日本生化学会大会

522018.9（6）「The function of importin α in the cell proliferation」浅野僚二，安原徳子 第 91 回 日本生化学会大会，2018.9（7）「Nuclear transport receptor importin α regulates gene expression via interaction with chromatin in ES cells」 地引和也，前原一満，平田早季，仙波雄一郎，野上順平，堀越直樹，田口裕之，米田悦啓，斉藤典子，木村宏，胡桃坂仁志，大川恭行，安原徳子 第 41 回 日本分子生物学会年会，2018.11（8）「核輸送因子 importin αファミリーによる細胞運命決定機構」 安原 徳子，地引 和也，浅野 僚二，前原 一満，仙波 雄一郎，胡桃坂 仁志，大川 恭行，木村 宏 第 41 回 日本分子生物学会年会 2018.11（9）「核輸送因子 importin αファミリーのクロマチン結合解析」 地引和也，前原一満，平田早季，仙波雄一郎，野上順平，柴崎典子，木村宏，大川恭行，安原徳子 文部科学省科学研究費補助金新学術領域研究「オルガネラ・ゾーン」平成 30 年度若手の会 2019.1（10）「Mathematical modeling of morphallactic regeneration in Enchytraeus japonensis: A new model for segment
formation and its possible molecular mechanisms」Chikako Yoshida-Noro, Yusuke Shibasaki, Minoru Saito 第 70 回
日本細胞生物学会・第 51 回日本発生生物学会合同大会 2018.6（11）「匂い刺激によってナメクジ嗅覚中枢神経系に引き起こされる NO 放出の蛍光イメージング」村田桃，石田康平，渡辺恵，斎藤稔 第 41 回日本神経科学大会 2018.7（12）「マウス海馬スライスにおいて異なった刺激が引き起こす様々な時空間活動パターン（II）」濵﨑雄太，河又竣平，斎藤稔 第 41 回日本神経科学大会 2018.7（13）「味覚嫌悪学習によって形成されるヨーロッパモノアラガイの長期記憶と神経活動に対するエピカテキンの効果」仲田正吾，齊藤渉，岩堀哲也，小松崎良将，斎藤稔 第 41 回日本神経科学大会 2018.7（14）「Various Spatiotemporal Neural Activity Patterns in Mouse Hippocampal Slices Measured by Multi-electrodeArray System and Laser Confocal Calcium Imaging」Minoru Saito

Society for Industrial and Applied Mathematics

Conference on the Life Sciences 2018.8 USA（15）「Mathematical Modeling for Morphallactic Segment Formation Using a Size-Dependent Multi-Loop Negative
Feedback System」柴﨑雄介，野呂知加子，斎藤稔 第 56 回日本生物物理学会年会 2018.9（16）「エピカテキンはヨーロッパモノアラガイの味覚嫌悪学習による長期記憶形成を増強する」小松崎良将，岩堀哲也，仲田正吾，伊藤綾香，戸澤奨，Ken Lukowiak，斎藤稔 第 56 回日本生物物理学会年会 2018.9（17）「一酸化窒素はナメクジの匂い識別に関係する」 村田桃，石田康平，斎藤稔 第 28 回非線形反応と協同現象研究会 2018.12（18）「ミミズの体節形成を説明するための新しい Clock and Wavefront Model の提案」柴﨑雄介，野呂知加子，斎藤稔 第 28 回非線形反応と協同現象研究会 2018.12（19）「Chaotic Loewner Evolution によって記述される神経突起伸長の Morphodynamics」柴﨑雄介，斎藤稔 日本物理学会第 74 回年次大会 2019.3【研究成果物】（1）“Possible cold-adaptation for the fungal kinesin in compensation for thermal stability acquired by single amino acidsubstitution.” Yosuke Shimizu, Toru Togawa and Shigeru Chaen. Journal of Biochemistry, 2019; pp.1-7; doi:10.1093/jb/mvy109（2）“Spatiotemporal Neural Activity Changes in the Molluscan Olfactory Center Specifically Induced by InnatelyAversive and In Vitro Aversively Conditioned Odors.” Kohei Ishida, Momo Murata, Koharu Hashiguchi, Yoshimasa

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Komatsuzaki, Satoshi Watanabe, Minoru Saito. J. Behavior and Brain Science 8, 5, 2018, pp. 294-305.
（3）“Size-Dependent Multiple-Loop Negative Feedback System Describes Biological Segment Formation Based on theClock and Wavefront Mechanism.” Yusuke Shibasaki, Chikako Yoshida-Noro, Minoru Saito. Biophysical Reviews andLetters 13, 4, 2018, pp. 217-228.

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