“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 4December, 2013
業績紹介：細胞移動の ために動的分子集団が生み出す力の計測法 " Bayesian cell force estimation considering force directions "Satoshi Kozawa, Yuichi Sakumura, Michinori Toriyama, Naoyuki Inagaki and Kazushi Ikeda
Neural Processing Letters, (2013) DOI:10.1007/s11063-013-9320-y

稲垣直之（奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイの黒矢印）脱重合することがわかっている。このアクエンス研究科・A03 計画研究代表者）

性の制約を導入したベイズ理論を用いることより、細チン線維の重合・脱重合の方向から得られる力の方向胞が生み出す力の計算が低密度のビースを用いてこれ細胞の移動は、神経回路網形成、原腸陥入、組織発生・再生、免疫反応、創傷治癒、がん転移といった様々までの手法に比べてより正確に行うことが可能となった。

な生体内の生理的・病理的な過程に関与している。細

本研究成果により、細胞移動や軸索伸長を引き起こ胞が方向性を持って移動するためには、移動のためのす生命分子集団の動的秩序系に対して、正確に力学的力を生み出す必要がある。移動する細胞や伸長する神なアプローチを行う道筋が開かれた。

経軸索の先端では、アクチン線維が動的に重合と脱重合を繰り返して駆動力を生み出すと考えられている。
このアクチン重合・脱重合による駆動力を細胞外基質に伝えて細胞移動のため力を生み出す分子基盤の同定は、重要な研究課題となっている。
細胞移動を引き起こす分子集団を同定し、そのメカニクスを解析するためには、移動のために発生する力を計測する必要がある。細胞が生み出す力の計測法として、弾性を持つゲル上に細胞を培養し、力の発生に図１：ゲルと蛍光ビーズを用いた、細胞が生み出す力よるゲルの歪みをゲル内に包埋された蛍光ナノビーズの計測法。弾性を持つゲル上に細胞を培養し、力の発の動きから計測する手法（traction force microscopy）が生によるゲルの歪みをゲル内に包埋された蛍光ナノ考案されている（図１の青色矢印）。その際に、顕微鏡ビーズの動きから計測して、力のベクトルを推定する。

を用いたライブイメージングにより得られた蛍光ナノビーズの動きから、力の大きさと方向を正確に推定する必要がある。
これまでに、蛍光ナノビーズの動きから力を推定するためのいくつかのアルゴリズムが考案されてきた。
しかしながら、これまでのアルゴリズムではゲル内のビーズの密度が低いと力の空間分布を正確に推定することができず、一方、ビーズの密度が高いとゲルの弾性が損なわれて力計測の正確性が損なわれるという問題点があった。
本論文では、低密度の蛍光ビーズの動きから細胞が生み出す力を正確に推定するアルゴリズムの開発を試

図 2：アクチン線維の重合・脱重合の方向から得られみた。移動する細胞内のアクチン線維は、細胞の先端る力の方向性の制約を導入した力の推定法。

で重合し、細胞の中心方向に向かって移動して（図２1“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 4December, 2013
小胞体の電 子伝達ネットワークのハブとなる分子複合体
Ero1-! and PDIs constitute a hierarchical electron transfer network of endoplasmic reticulum
oxidoreductases
Kazutaka Araki, Shun-ichiro Iemura, Yukiko Kamiya, David Ron, Koichi Kato, Tohru Natsume, andKazuhiro Nagata
Journal of Cell Biology, 202, 861–874 (2013) DOI: 10.1083/jcb.201303027

 細胞内小器官の酵素集団は動的ネットワークを形成して秩序立ったシステムを形成し、高次機能を発揮している。例えば、小胞体内腔には 20 種類以上の酸化還元酵素が存在しており、これらは新生タンパク質のジスルフィド結合形成を促す酸化的フォールディングを担うとともに、小胞体内の酸化還元状態の平衡を保つ役割を果たしている。本論文は、小胞体酸化酵素 Ero1 を中心とした酸化還元酵素の反応カスケードに注目し、分子間相互作用と酸化還元電位の詳細な解析を行ったものである。その結果、Ero1がプロテインジスルフィドイソメラーゼ(PDI)と複合体を形成し、これをハブとして他の酸化還元酵素との間に制御された電子伝達ネットワークが存在することを見いだしている。さらに、Ero1 と PDI の複合体形成に基づく活性調節と電子伝達のメカニズムを NMR データに基づいて議論している。本研究は、一群の酸化還元酵素群の協奏的連携による小胞体内の酸化還元環境の秩序維持機構について重要な知見を与えるものである。
（加藤晃一 自然科学研究機構・A03 計画研究代表者）

糖鎖の構造 と相互作用のダイナミ クスに迫る NMR の新規アプローチ（総説）
New NMR tools for characterizing the dynamic conformations and interactions ofoligosaccharides
Ying Zhang, Takumi Yamaguchi, and Koichi KatoChemistry Letters, 42, 1455–1462 (2013) DOI: 10.1246/cl.130789

 糖鎖は、糖鎖同士やタンパク質とのダイナミックな相互作用を通じて、細胞内のタンパク質運命決定システムや、細胞間コミュニケーションのための超分子複合体などの形成に関わっている。糖鎖が関わる生命分子システムの高次機能発現メカニズムに関する理解を深めるためには、糖鎖の柔構造とクラスター形成について詳細な知見を得ることが不可欠である。この総説は、糖鎖の立体構造・ダイナミクス・相互作用を解明するための NMR の新規方法論について概説したものである。常磁性プローブや安定同位体標識などの活用により、これまでは精密解析が困難だった水溶液中で一定のコンフォメーションをとっていない糖鎖（およびそのクラスター）に対しても、原子レベルの構造情報を得ることが可能となってきた。これにより、糖鎖を介して形成される生命分子集団の動的秩序系に対して分子科学的なアプローチを行う道筋が開かれてきた。
（加藤晃一 自然科学研究機構・A03 計画研究代表者）

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“Dynamical Ordering & Integrated Functions”Newsletter Vol. 4December, 2013
加藤グルー プの ZhangYing さんが 糖鎖科学中部拠点奨励賞を受賞
加藤晃一（自然科学研究機構 岡崎統合バイオサイエンスセンター・A03 計画研究代表者）

ローブとしてガングリオシドの糖鎖へ導入する手法を確立し、常磁性効果を応用した核磁気共鳴法と分子動力学シミュレーションの活用による、ガングリオシド糖鎖の立体構造解析法の開発に成功しました。さらに、

 2013 年 9 月、名古屋市立大学にて開催された「糖鎖有機化学反応や酵素反応を駆使して、選択的に安定同科学中部拠点 第 11 回若手の力フォーラム」において、位体標識を施した試料の調製にも取り組んでいます。

私たちの研究グループの Zhang Ying さん（総合研究大こうした研究により、一連のガングリオシド糖鎖構造学院大学 博士後期課程）が糖鎖科学中部拠点奨励賞をの動的立体構造の解明や、糖鎖の分岐構造の差異がも受賞いたしました。

たらすダイナミックなコンフォメーション変化を、原 本フォーラムは、中部地方の糖鎖研究者が一同に会子レベルの分解能で明らかにしました。

し研究者間のネットワークを強化するとともに、若手

 細胞表層の脂質ラフトは、ガングリオシドをはじめ研究者による情報発信・交流を促し、次代を担う人材とする個々の構成要素としてもまた集合体全体としてを養成することを目的に開催されているものです。糖も極めてダイナミックな分子挙動を伴い、その構造は鎖研究と一言で申し上げても、研究内容は理学から工一定の秩序と高い流動性とを併せ持っていると考えら学、医学まで、幅広い分野にまたがっており、その発れます。また近年、脂質ラフトはシグナル伝達やアミ展には化学と生物学との融合・連携が強く求められてロイド形成の舞台となっていることが明らかとなりついます。日本の糖鎖科学研究は国際的にも高い競争力つあり、その生物機能が注目されています。Zhang Yingをもって展開されていますが、名古屋を中心とした中さんの研究成果は、このような膜系における動的秩序部地域においても、糖タンパク質や糖脂質といった複システムを対象とした分子科学研究の道を切り開くも合糖質全般を対象に、構造解析や機能解析、化学合成、のであります。

医療応用といった多彩な領域での先端的な研究に取り組む研究者が多数います。こうした学際的な背景と地理的な結びつきから、フォーラムでは熱心な情報交換・研究交流が行われ、それぞれの研究の発展と連携研究について大いに議論が盛り上がりました。
 Zhang Ying さんは、神経細胞膜に存在する糖脂質ガ
ングリオシドの構造ダイナミクスの解析を主題とした研究に取り組み、本フォーラムにおいてParamagnetism-assisted NMR for atomic description ofdynamic oligosaccharides という演題で発表を行いました。ガングリオシドは、細胞膜上においてクラスター化し、特定のタンパク質や脂質とともに超分子集合体である脂質ラフトを形成する重要な生命分子です。しかしながら、高い構造柔軟性のために伝統的な構造生物学のアプローチでは解析が困難であることや、分子生物学手法による安定同位体標識試料の調製法が確立

Zhang Ying さんされていないことなどから、これまで十分に分子科学的研究が進展してきませんでした。こうした問題に対し Zhang Ying さんは、ランタニドイオンを常磁性プ

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“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 4
December, 2013佐藤啓文グループの松村祥宏さんが
分子科学討論会 において優秀ポスター賞を受賞

佐藤啓文（京都大学工学研究科・A01 計画研究代表者）

れまでに幾つかの理論が示されており [1]、我々のグループからも横川大輔博士（現：名古屋大学特任准教授）らが中心となって、新しい理論を提案しました[2]。

平成 25 年 9 月 24 日から 27 日まで、京都テルサで開この方法は一般的な分子を扱う上で極めて有用であり、催された第７回分子科学討論会 2013 において、修士課

例えば最近ではイオン液体を構成するカチオンのイミ程大学院生・松村祥宏君が分子科学会優秀ポスター賞

ダゾリウム環についた直鎖部分の記述にも用いられてを受賞しました。同学会は、分子科学会の主催によりいます [3]。しかしながらこの方法は、一成分系（純毎年一回開催されており、物理化学分野における最も溶媒）のみを対象としたものでした。松村君は、実際大きく、権威ある討論会の一つです。同賞は学生のポに多くの場合で興味が持たれる溶質̶溶媒系に着目しスター発表講演者を対象に選考されるもので、今回はて、新しい理論の開発に取りくんでいきました。また14 件が選ばれました。松村君の研究は「溶液中におけ対応する自由エネルギーの表式を得る事にも成功し、る直鎖状分子の構造揺らぎのための積分方程式理論」

この表式の各項に対して物理的意味を対応させて、解と題するもので、佐藤との共同研究によるものです。

析することを可能としました。今回の受賞はこうした非常に簡単な分子を除けば、全ての分子は内部自由達成によるものです。現時点では個々の分子の構造の度に由来する複数の安定および準安定構造が存在しま

柔軟性についてはモンテカルロ法を利用しており、周す。これら複数の配座間の相対的安定性やそれに基づ辺の分子との多体相互作用に由来する部分を主に扱っ

く相対分布は、分子を特徴づける基本的な性質と考えており、今後の更なる改善が期待されます。

られますが、その複雑さ故に包括的な理解が進んでい分子をユニットとする秩序形成過程では、構成要素るとは言えません。例えば、極めて多数の安定構造のの柔軟性がしばしば重要な役割を演じます。今回提案中で最も安定な構造を見つけ出す問題は、蛋白質の折した理論は、適用できる系が限定されることは否めま

り畳み問題に他ならず、その解決が容易でないことはせんが、上述の非常に大きな問題に対する第一歩を踏よく知られている通りです。また比較的少数自由度をむ出した意義は大きいと持ち、ごく限られた数の安定構造を有する分子の場合考えています。松村君の受でさえも、複数の構造間の相対安定性や、有限温度下賞を心からお祝いするとでこれらに由来する構造エントロピーを特徴づけるこ

ともに、基盤的物理化学のとは決して容易ではなく、それが溶液内での事象とな立場から生体分子系の理ると関与する自由度の数が飛躍的に増大し、問題は一解を進めるべく、一層の精層難しくなります。今日最も一般的な分子動力学法

進をはかっていきたいと（MD 法）では、柔軟な分子構造を持つ分子モデルを考えております。

用いることで、こうした問題を直接明示的に意識する参考文献ことは少ないようです。しかしポテンシャル関数と、[1] 例えば、T. Munakata, S. Yoshida, F. Hirata, Phys. Rev.

それに基づいて得られる配座間の相対安定性とを直接E, 54 3687 (1996); S. Yoshida, F. Hirata, T. Munakata,に結びつけるのは必ずしも容易ではありません。

Phys. Rev. E, 54 1763 (1996).

液体の積分方程式理論は系の解析的な記述を追求す[2] D. Yokogawa, H. Sato, S. Sakaki, Chem. Phys. Lett.,

る立場を取っており、RISM 理論（相互作用点モデル）

487, 241 (2010).

では分子内相関関数ωを入力情報とし、分子の構造を[3] S. Hayaki, Y. Kimura, H. Sato, J. Phys. Chem. B, 117,

規定します。これを拡張すれば構造の柔軟性を取り扱6759 (2013).

うことが可能となるはずです。こうした考え方からこ4

“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 4
December, 2013
岡本祐幸グループの 西川直宏さんが 
1stInternationalSymposiumonComputationalMaterialsand
Biolo gicalScie ncesにおいて PosterPresentationAward を受賞
岡本祐幸（名古屋大学 大学院理学研究科・A03 計画研究代表者）期課程に進学する予定です。今後、益々の研究の進展を期待します。

平成 25 年 9 月 10 日から 12 日まで、早稲田大学で開催された国際会議、1st International Symposium on
Computational Materials and Biological Sciences において、筆者の研究室の博士前期課程２年生（M2）の西川直宏さんが、”Molecular dynamics simulations forunderstanding the initial process of amyloid formations”という題目のポスター発表によって、Poster PresentationAward を受賞いたしました。この国際会議は、昨年までに５回、ロシアの Dubna と Moscow で開催されてきた、Japan-Russia International Workshop on Molecular

会議の模様

Simulation Studies in Material and Biological Sciences を早稲田大学の山本知之教授と慶應義塾大学の泰岡顕治教授が中心になって、日本で初めて開催したものでした。多岐にわたる研究内容のポスター発表の中から、受賞者３名が選ばれました。
西川さんの研究内容は、アルツハイマー病の原因とされる、アミロイドβペプチド（Aβ）のアミロイド線維形成のメカニズムを分子シミュレーションによって探るものですが、簡単のために、ペプチドフラグメ
ント Aβ(16-22)を５本用意して、レプリカ交換分子動力学シミュレーションを実行しました。ポテンシャル

ポスタープレビューで発表する西川さん

エネルギーとしては、Philippe Derreumaux 氏らが開発した OPEP という粗視化模型のものを採用しました。
その結果、まず、２本のペプチドフラグメントがβシート構造を作り、それに１本ずつフラグメントが付いていくことによって、３本、４本、５本のフラグメントからなる、より大きなβシート構造へと成長するのではなく、２本のフラグメントが幾つか別々にできて、それらが更に合わさって大きなβシート構造を形成していくことが示唆されました。
西川さんは今年度、この研究内容を中心とした修士論文を仕上げ、来年４月からは同じ研究室で、博士後賞状を受け取る西川さん

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“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 4
December, 2013
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加藤班員ら の研究成果が新聞に掲載される
A03 計画研究代表者の加藤晃一班員と名古屋市立大学大学院薬学研究科の矢木宏和博士らの共同研究の成果が科学新聞（12 月 6 日）の１面に掲載されました。
平成 25 年 12 月 6 日 科学新聞 第 1 面

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