生物物理 53（3），160-161（2013）

トピックス

DNAを巻き取る分子リール―F1-ATPaseのおもちゃ游1.

慧娟，飯野亮太 東京大学大学院工学系研究科

はじめに

DNA は生命の遺伝情報が刻まれた紐状の高分子である．ヒトの染色体 DNA は引き延ばすと全長 2 m に達するが細胞内ではコンパクトに折りたたまれて直径10 µm の核の中に納まっている．これは，直径 1 cmの球の中に長さ 2 km の紐が詰め込まれているのに相当する．核に DNA を詰め込むため，様々なタンパク質が DNA に結合しそれを折りたたんで，コイルおよびループ状の構造を形成する．たとえば，ヒストンは
図1
DNA の曲げと遺伝子の発現スイッチング．
（a）ヒストンと DNAの複合体．DNA の曲率半径は 4.5 nm.（b）Lac リプレッサータン
パク質と DNA の複合体．左，結晶構造は直径 10 nm の DNA ループを示唆している．ヒストンと Lac リプレッサーは水色．

DNA と結合して巻きつけて，外径 11 nm のヒストン-DNA 複 合 体（ヌ ク レ オ ソ ー ム） を 形 成 し て い る．
（図 1a）．また，多くの転写因子も DNA を折り曲げてループを形成する（図 1b）．
DNA はきつく折りたたまれることで遺伝子としての機能を制御されている．先に挙げた例で言うと，ヒを表すことができる．光散乱測定や電子顕微鏡観察，ストンに巻きついた DNA は転写因子との結合が阻害または 1 分子牽引実験 1) により，2 重鎖 DNA の Lp はされ，遺伝子の発現が抑制されている．折りたたまれ約 50 nm と報告されている．

た DNA がヒストンからほどけると，転写は始まる．

Lp は ポ リ マ ー の 曲 げ 弾 性 係 数 κ と の 間 に，κ =ループ状の DNA と転写因子の複合体は他のタンパク

Lp kBT という単純な関係がある．ここで kBT はボルツ質の結合を抑制し，転写のスイッチのオフとオンを制マン定数と絶対温度の積である．つまり Lp がわかれ御している（図 1）．言い換えると，DNA をきつく折ば，長さ L の DNA を角度 θ だけ曲げた時のエネルギーり曲げるためにエネルギーや力を費やすことで遺伝子はフックの法則 E = Lp kBTθ /2L によって計算できるの発現スイッチが制御されている．遺伝子の発現ス（WLC モデルは DNA の曲げ弾性エネルギーをフックイッチの動的な挙動を定量的に理解するには，DNAの法則で記述している）．

2

ところが，フックの法則は弾性変形を維持する範囲をきつく曲げるのに必要な力やエネルギーを直接定量内でしか成り立たない．強い力で 2 重鎖 DNA を曲げ的に測定することが重要である．
2.

ると局所的に塩基対が開裂してキンクを生じると考えきつく曲げられた DNA の弾性エネルギーられている．しかしこれまでの計測では，DNA は熱長い DNA は溶液中で熱ゆらぎによって曲げられて，ゆらぎによる弱い力で曲げられているだけであった．

ランダムコイルな状態にある．一方，短い DNA（数DNA に積極的に大きな力をかける方法はなく，外力十ナノメートル）は直線性を維持する傾向がある．

でキンクが生じるかは検証されていなかった．またWorm-like chain（WLC）モデルによると，高分子鎖が短い DNA の環化反応実験では，長い DNA と同様の

熱 ゆ ら ぎ に よ り 方 向 の 相 関 を 失 う 距 離 , 持 続 長 Lp

Lp を持つ WLC モデルが成立するという結果だけでな（Persistence length）というパラメーターで DNA の硬さく 2)， 非 常 に 柔 ら か い と い う 結 果 も 報 告 さ れ て いWinding DNA on Molecular Reel Made of F1-ATPase
Huijuan YOU and Ryota IINO
Graduate School of Engineering, The University of Tokyo※図 1，図 2 は，電子ジャーナル（https://www.jstage.jst.go.jp/browse/biophys/-char/ja/）ではカラー版を掲載しています．

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DNA 分子ヒモを巻き取る F1 のおもちゃる 3), 4)．我々はこの問題に着目し，新しい 1 分子計測法を開発した．
3.

DNA を巻き取る分子リール

我々はナノサイズの回転モータータンパク質 F1ATPase と 1 分子操作技術（光ピンセットと磁気ピンセットの同時利用）を組み合わせ，DNA を紐のように巻き取る 分子リールを開発し，DNA をきつく
図2（a）DNA をきつく巻き取る方法．F1 の回転軸は直径 2 nm なので，DNA を十分小さく巻きつけられる．
（b）かけた力と巻き取ったDNA ループの直径（曲率半径）の関係．黒線は WLC モデル（Lp =54 nm）でのフィット．

折り曲げるのに必要な力を測定することに成功した ．DNA の曲率を局所的に力で制御した初の成果
5)とも言える．
具体的な操作は糸巻きと同じである．DNA の一端を，磁性ビーズに結合させた F1 モーターの回転軸に結合させ，回転する磁場（磁気ピンセット）で回転軸質の結合解離の 1 分子イメージングを組み合わせ，遺を回転させる．逆の一端は，光ピンセットで捕捉した伝子発現の力学的制御メカニズムに迫りたい．

プラスティックビーズに結合させた（図 2a）．DNA謝の両末端にかかる力は釣り合っており，張力に応じて辞DNA ループの直径は変わる．磁性ビーズの回転角度

本稿で紹介した研究は，東京大学の野地研究室でから巻き数を測定し，プラスティックビーズの変位か行ったものです．共同研究者の野地博行教授，渡邉力らかけた張力と巻いた DNA の長さを測定し，DNA也助教と西川宗さん（ニコン）にお礼を申し上げます．

をきつく曲げるために必要な力と DNA ループの曲率

また，研究費を助成していただいた文部科学省および半径との関係を定量的に明らかにした（図 2b）．

科学技術振興機構に深く感謝いたします．

DNA では WLC モデルのような線形弾性モデルだ
けでなく非線形弾性モデルも提唱されているが 6), 7)，

文献

我々の結果は WLC モデルを支持し（図 2b，黒い線），

1)

Bustamante, C. et al. (2003) Nature 421, 423-427.

2)Du, Q. et al. (2005) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 5397-5402.

3)

Cloutier, T. E., Widom, J. (2004) Mol. Cell 14, 355-362.

4)

Vafabakhsh, R., Ha, T. (2012) Science 337, 1097-1101.

じないことが示された．今回の結果を用いて DNA を

5)

You, H. et al. (2012) Nucleic Acids Res. 40, e151.

直径 9 nm のループ（ヒストンと同じ曲率）に曲げる

6)

Yan, J., Marko, J. F. (2004) Phys. Rev. Lett. 93, 108108.

7)

Wiggins, P. A. et al. (2006) Nat. Nanotechnol. 1, 137-141.

Lp = 54 ± 9 nm が得られた．6.0 pN の力で直径 8.5 nmまで曲げても DNA は弾性的性質を維持しキンクは生のに必要なエネルギーを計算すると，38 kBT という高い値が見積もられた．ヒストンの正電荷と DNA の負游 慧娟（ゆう ふぇいじぇん）
東京大学大学院工学系研究科特任研究補助員
2011 年大阪大学工学研究科博士後期単位取得退学，同年より現職．12 年博士（工学）取得．
研究内容：DNA のマイクロメカ二クス
連絡先：〒 113-8656 東京都文京区本郷 7-3-1
E-mail: youhuijuan@nojilab.t.u-tokyo.ac.jp

電荷の強い相互作用により，この高いエネルギーを得られるのだと考えられる．
4.

おわりに我々の結果は Lp 〜 50 nm の WLC モデルを支持した游慧娟が，上述のように DNA は WLC モデルの予想より柔らかいという主張も根強くある．DNA の曲げ弾性3), 4)は塩基配列，塩濃度，ねじれ方向の自由度などに依存する．よって，DNA の硬さ（柔らかさ）に関する論争に決着をつけるためには，様々な条件で測定を行う必要がある．今回開発したシステムを用い，今後は塩飯野亮太

濃度，塩基配列と曲げ弾性の関係を検証していきたい．さらに , 我々の計測システムと転写因子タンパク
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飯野亮太（いいの りょうた）東京大学大学院工学系研究科講師
2000 年名古屋大学大学院理学研究科単位取得退学， 同 年 JST-ERATO 研 究 員（楠 見 P， 吉 田 P）．
05 年大阪大学産業科学研究所特任助手，助手，助教を経て 11 年より現職．03 年博士（理学）取得．
研究内容：分子機械の作動メカニズム，バイオマーカーの超高感度検出
連絡先：〒 113-8656 東京都文京区本郷 7-3-1
E-mail: iino@appchem.t.u-tokyo.ac.jp
URL: http://www.nojilab.t.u-tokyo.ac.jp