2-9 生体高分子機能解明の統合的基盤研究●代表者

茶圓 茂（物理生命システム科学科・教授）●分担者

中里勝芳（物理生命システム科学科・教授）
斎藤 稔（物理生命システム科学科・教授）
金子寛生（物理生命システム科学科・教授）【研究の目的および概要】
生命活動において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，その機能の解明を目指す。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する。本研究の特徴は，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） 生体中におけるエネルギー利用の分子レベルでの解明とその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す。
【研究の結果】
アクチンフィラメントはミオシンフィラメントの端から中央に向かって（forward）は速く滑り，中央から端に向かって（backward）はゆっくり滑る．しかしながら，ADP 遊離速度が backward で遅くなっているかどうかは明らかになっていない。本研究ではミオシンに結合した蛍光 ADP を CagedATP の光分解による ATP により chase する実験装置を開発し，chase される速さをイメージングした。結果は forward では速く，backward では遅い蛍光強度の減少を示し，ADP 遊離速度が backward で遅くなっている結果を得た。茶圓
さまざまな物が流れている自然環境の流水を活用する発電では，水車効率が高いだけでは実用化が困難であり，羽根の付着物を容易に除去できる機能を備えた水車を開発する必要がある。水深方向に配置した複数の羽根が流路幅方向に設けたシャフトに沿って往復直線運動を繰り返すときの力を高い機械効率で回転運動に変換させて発電する新しいタイプの流水発電装置を開発し，この装置を傾けるだけで羽根への付着物が容易に除去できることを実証した。中里
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の単一ニューロンの自発的な活動を捉えることに成功し，海馬において様々な時空間活動パターンが存在することを見出した。また，膜電位イメージング法によりナメクジ嗅覚系では忌避性匂い刺激により多数のニューロンが同期的に活動することを見出し，その際に系のエントロピーが大きく減少していることを非線形解析により明らかにした。斎藤
感音性難聴の患者の Noggin 遺伝子変異について調べ，その変異が難聴を引き起こすメ分子カニズムを解明する研究を行った。ドッキング計算により，Noggin にヘパリンアナログが結合したモデル構造を求めた。その結果，
R136C 変異は，細胞外マトリクス構成成分であるヘパラン硫酸プロテオグリカンの糖鎖部分に限局されていたNoggin を遊離させ，BMP シグナルを過剰に出させていることが推測された。金子34

【研究の考察・反省】
我々の結果は 180°ひねられたミオシンの頭がアクチンフィラメントを動かしており，ひねられることによってADP 遊離速度を低下させ，ATP によるミオシンのアクチンからの解離を遅くしているために滑り速度が減少していることを示唆した．そして backward に動かしているミオシンの頭から遊離される ADP の速度が遅いことを直接的に観察した。我々は，このモーター蛋白再構成系においてメカニクスとキネティクスを直接観察することに成功した。さらにさまざまな再構成系運動に応用していきたい。茶圓開発した流水発電装置のエネルギー抽出率は約 24％となり，プロペラ水車のエネルギー抽出率（約 30％）には及ばないものの下掛け水車のエネルギー抽出率（約 15％）よりも高い値となった。往復運動のストローク長をさらに長くすれば効率は高まると考えられる。羽根の付着物除去は装置全体を数十度手動で傾斜させて行ったが，今後自動化する必要がある。中里
海馬における様々な時空間活動パターンの中に，同期して活動するニューロンのグループが不規則に組み替わるパターンを見出したが，この現象はある種のニューラルネットワークモデルで報告されているカオス的遍歴現象に対応するものではないかと考え，現在解析を行っている。ナメクジ嗅覚系では忌避性匂い刺激により系のエントロピーの減少が見られたが，どのような機構で匂い情報が獲得されているかを明らかにすることが今後の課題である。斎藤BMP，そのアンタゴニストであり骨形成を調節する蛋白質 Noggin，細胞外マトリクス構成成分であるヘパラン
硫酸プロテオグリカンの糖鎖部分の 3 者における結合状態を考慮することにより，遺伝病のメカニズムを，構造生物学見地から分子レベルでクリアに説明することができた。また，低分子ドッキングソフトを中心とした計算化学的手法が有効であることを今回の研究を通して確認できた。金子【研究発表】
Maruta, T., Okubo, H., Kobatake, T., Chaen, S.
Measurement of ADP release from bipolar myosin filament track along which actin filament slide.
第 50 回日本生物物理学会 , 2012. 9.23. 名古屋
Koyama, T., Maruta, T., Iwai, S., Chaen, S.
Effect of mutation of the SH1 helix region of Dyctyosterium Myosin II on the motile characteristics.
第 50 回日本生物物理学会 , 2012. 9.23. 名古屋
Tsubasa Koyama, Takahiro Maruta, Sousuke Iwai, Shieru Chaen
EFFECT OF MUTATION OF THE SH1 HELIX REGION OF DICTYOSTERIUM MYOSIN II ON THE MOTILEACTIVITIES.
57th Biophysical society Annual Meeting, Feb 4, 2013 Philadelphia,Pennsylvania
Takahiro Maruta, Hiroyuki Okubo, Takahiro Kobateke, Shigeru Chaen
MEASUREMENT OF NUCLEOTIDE RELEASE FROM SYNTHETIC MYOSIN THICK FILAMENT ALONG WHICH
ACTIN FIAMENTS SLIDE.
57th Biophysical society Annual Meeting, Feb 4, 2013 Philadelphia,Pennsylvania

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Haruo Sugi, Shigeru Chaen, Takakazu Kobayashi, Takahiro Abe
Evidence that actin-myosin cycling in muscle may not pass through rigor configuration
57th Biophysical society Annual Meeting, Feb 4, 2013 Philadelphia,Pennsylvania
Takahiro Abe, Takakazu Kobayashi, Shigeru Chaen, Takuya Miyakawa, Suguru Tanokura, Yoshiki Ohnuki, Haruo Sugi
Effect of antibodies to myosin head revels definite difference between in vitro actin-myosin sliding and muscle contraction
57th Biophysical society Annual Meeting, Feb 4, 2013 Philadelphia,Pennsylvania
中里勝芳
羽根への付着物を容易に除去できる新規流水発電装置の開発
第 7 回再生可能エネルギー世界展示会 RENEWABLE ENEGY2012 2012 年 12 月 5 〜 7 日 幕張メッセ
耐熱性酵素を用いた乳酸バイオセンサの開発
島崎亮，市川麻衣，山崎薫，斎藤稔
第 22 回バイオ・高分子シンポジウム，2012 年 6 月 25 日〜 26 日，東京
A Study on Odor Sensors Using Copper-Phthalocyanine
Shinnosuke Asai, Katsutoshi Saeki, Minoru Saito, Yoshihumi Sekine
The 27th International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications, July 15-18, 2012,Sapporo
マウス海馬スライスの CA1 領域における様々な時空間活動パターンのレーザー共焦点イメージング
鈴木章義，小山内裕美，松村佐智子，干村尚穂，斎藤稔
第 21 回日本バイオイメージング学会学術集会，2012 年 8 月 26 日〜 28 日，京都
モノアラガイの咀嚼運動に関わる神経系における神経活動の膜電位イメージング
仲田正吾，細井誠，斎藤稔
第 21 回日本バイオイメージング学会学術集会，2012 年 8 月 26 日〜 28 日，京都
チャコウラナメ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Ⅱ
浜崎雄太，下川智也，石田康平，斎藤稔
第 21 回日本バイオイメージング学会学術集会，2012 年 8 月 26 日〜 28 日，京都
SAW センサを用いた二酸化窒素濃度測定システムに対する検討
杉山克俊，金森洋介，浅井信ノ輔，佐伯勝敏，斎藤稔，関根好文
平成 24 年電気学会 C 部門大会，2012 年 9 月 5 日〜 7 日，弘前36

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，下川智也，斎藤稔
第 35 回日本神経科学大会，2012 年 9 月 18 日〜 21 日，名古屋
フロー型乳酸バイオセンサの開発とその脳内乳酸測定への応用
山崎薫，市川麻衣，島崎亮，向井秀夫，斎藤稔
第 50 回日本生物物理学会年会，2012 年 9 月 22 日〜 24 日，名古屋
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
下川智也，浜崎雄太，小松崎良将，斎藤稔
第 50 回日本生物物理学会年会，2012 年 9 月 22 日〜 24 日，名古屋
ヨーロッパモノアラガイの中枢神経系における神経活動の膜電位イメージング
仲田正吾，細井誠，小松崎良将，斎藤稔
第 50 回日本生物物理学会年会，2012 年 9 月 22 日〜 24 日，名古屋
マウス海馬スライスの CA1 領域における様々な時空間活動パターンのレーザー共焦点イメージング
小山内裕美，鈴木章義，松村佐智子，向井秀夫，斎藤稔
第 50 回日本生物物理学会年会，2012 年 9 月 22 日〜 24 日，名古屋
軟体動物ナメクジの嗅覚中枢における長期活動ダイナミクス
田中裕一，加藤功弥，斎藤稔，小松崎良将
第 50 回日本生物物理学会年会，2012 年 9 月 22 日〜 24 日，名古屋
フロー型乳酸バイオセンサの開発とその脳内乳酸測定への応用
市川麻衣，山崎薫，島崎亮，斎藤稔
第 2 回 CSJ 化学フェスタ 2012，2012 年 10 月 14 日〜 17 日，東京
悪臭・大気環境測定システムに対する一検討
浅井信ノ輔，佐伯勝敏，斎藤稔，関根好文
平成 24 年度理工学部学術講演会，2012 年 11 月 28 日，東京
SAW センサを用いた混合気体の選択性に対する一検討
杉山克俊，浅井信ノ輔，佐伯勝敏，斎藤稔，関根好文
平成 24 年度理工学部学術講演会，2012 年 11 月 28 日，東京
チャコウラナメクジにおける嗅覚中枢の長期活動ダイナミクス
田中裕一，斎藤稔，小松崎良将
平成 24 年度理工学部学術講演会，2012 年 11 月 28 日，東京

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モノアラガイの巨大ニューロンにおける活動パターン
加藤功弥，小松崎良将，斎藤稔
平成 24 年度理工学部学術講演会，2012 年 11 月 28 日，東京
匂い刺激に対するナメクジ嗅覚神経系の時空間活動パターン変化とその非線形解析
下川智也，浜崎雄太，石田康平，斎藤稔
第 22 回非線形反応と協同現象研究会，2012 年 12 月 8 日，東京
マウス海馬スライスにおける様々な時空間活動パターンとその非線形解析
浜崎雄太，小山内裕美，鈴木章義，斎藤稔
第 22 回非線形反応と協同現象研究会，2012 年 12 月 8 日，東京
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Ⅱ
増本秀史，齊藤健，斎藤稔
第 22 回非線形反応と協同現象研究会，2012 年 12 月 8 日，東京
SAW センサを用いた二酸化硫黄濃度測定に対する一検討
杉山克俊，浅井信ノ輔，佐伯勝敏，斎藤稔，関根好文
2013 年電子情報通信学会総合大会，2013 年 3 月 19 日〜 22 日，岐阜
難波一徳，金子寛生，増田佐和子，務台英樹，臼井智子，藤井正人，松永達雄“Noggin 蛋白質とヘパリン糖鎖のドッキングシミュレーションから推測された骨形成異常における BMP シグナルの分子病態モデル”
第 85 回日本生化学会大会 （2012）【研究成果物】
Takahiro Maruta, Takahiro Kobatake, Hiroyuki Okubo, and Shigeru Chaen
Single turnovers of fluorescent ATP bound to bipolar myosin filament during actin filaments sliding. BIOPHYSICS 9, 1320（2013）
Corticosterone Induces Rapid Spinogenesis via Synaptic Glucocorticoid Receptors and Kinase Networks in Hippocampus,
Yoshimasa Komatsuzaki, Yusuke Hatanaka, Gen Murakami, Hideo Mukai, Yasushi Hojo, Minoru Saito, Tetsuya Kimoto,Suguru Kawato, PLoS One 7（2012）e34124.
A Study on Odor Sensors Using Copper Phthalocyanine, Proceedings of International Technical Conference on Circuits/Systems, Shinnosuke Asai, Katsutoshi Saeki, Minoru Saito, Yoshifumi Sekine, Computers and Communications, C-W204, CD-ROM.

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Various Firing Patterns Found in a Giant Neuron of the Pond Snail Lymnaea stagnalis and Their Dynamics, Minoru Saito,
Yuuta Hamasaki, Makoto Hosoi, Shogo Nakada, Journal of the Physical Society of Japan 82（2013）034801-1-4.
Fluorescence Voltage Imaging Technique for the Measurement of Molluscan Neural Activities, Yuuta Hamasaki, Makoto
Hosoi, Shogo Nakada, Tomoya Shimokawa, Minoru Saito, Open Journal of Biophysics 3（2013）54-58
Kazunori Namba, Hideki Mutai, Hiroki Kaneko, Sho Hashimoto and Tatsuo Matsunaga
In silico Modeling of the Pore Region of a KCNQ4 Missense Mutant
BMC Research Notes 5:145（2012）39

from a Patient with Hearing Loss