分子ナノシステムの設計から筋収縮の原理を解明~心筋症における精密医療への応用に期待~

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2019-11-27 理化学研究所,日本医療研究開発機構

理化学研究所(理研)生命機能科学研究センター細胞動態計測研究チームの藤田恵介基礎科学特別研究員、大町優史研究員、岩城光宏副チームリーダー、柳田敏雄チームリーダーらの共同研究チームは、筋収縮の機能単位であるサルコメア[1]構造の一部となる分子ナノシステムを設計し、収縮中のモーター分子[2]の動態を世界最高の解像度で直視することに成功しました。

本研究成果は、直接的にモーター分子の機能を制御する低分子化合物の効果を精密に分析することを可能にし、新たな心不全治療薬の開発に貢献すると期待できます。

筋収縮の分子機構に関する研究は70年以上の歴史がありますが、収縮の瞬間におけるモーター分子の動態を直接的に捉えることはできていませんでした。

今回、共同研究チームは、DNAオリガミ技術[3]とヒト筋肉のモータータンパク質[2](ミオシンII[4])を用いて、サルコメアの一部(分子ナノシステム)を人工的に設計し、高速原子間力顕微鏡(高速AFM)[5]による画像化とレーザー暗視野顕微鏡[6]による超高速観察を行いました。サルコメア構造が厳密に再現された空間内で、ミオシンII分子がブラウニアンラチェット機構[7]によって収縮に最適となる場所の探索を行い、2段階の可逆的な構造変化を経て力が発生している瞬間を画像化しました。

本研究は、英国のオンライン科学雑誌『Communications Biology』(11月27日付)に掲載されます。

※共同研究チーム
理化学研究所 生命機能科学研究センター 細胞動態計測研究チーム
チームリーダー 柳田 敏雄(やなぎだ としお)
副チームリーダー 岩城 光宏(いわき みつひろ)
基礎科学特別研究員 藤田 恵介(ふじた けいすけ)
研究員 大町 優史(おおまち まさし)
東京大学 理学部 物理学科
助教 池崎 圭吾(いけざき けいご)
※研究支援
本研究は、日本医療研究開発機構(AMED)革新的先端研究開発支援事業「メカノバイオロジー機構の解明による革新的医療機器及び医療技術の創出(研究開発統括:曽我部正博)」における「DNAナノバイオデバイスを用いた心筋細胞の力場イメージングと光制御技術の開発(代表者:岩城光宏)」による支援を受けて行われました。
背景

肥大型心筋症[8]は500人に1人の割合で発症する心臓の病気であり、心機能低下と若年性突然死などを引き起こすことが知られています注1)。その発症には遺伝的な要因が大きく、なかでも心臓を拍動させるモータータンパク質であるミオシンII(以下、ミオシン)の変異が主要な原因となっていることが分かってきました。そのため、直接的にミオシンの機能を正常に戻す低分子化合物の開発が盛んに行われており、心不全治療への応用が期待されています。

こうした化合物を開発するには、収縮の瞬間におけるモーター分子の動態を調べる必要があります。筋肉は、サルコメアと呼ばれる構造の中で、ミオシンが集団になったフィラメント(thick filament)とアクチンフィラメント[9]が平行になり、互いに滑りあうことで収縮します(図1)。サルコメア内ではミオシンが“稲穂の米粒”のように密に詰まっており、しかも個々のミオシンは揺らぎながら非常に速く運動した後、すぐにアクチンから外れてしまいます。そのため、従来の一分子解析法[10]ではミオシンの個々の分子の動きを直接捉えることができず、アクチンの動きから間接的にミオシンの動きを推定していました。

図1 筋収縮時に起こる滑り運動サルコメアは2~3マイクロメートル(1マイクロメートルは100万分の1メートル)の長さを持つ30種類以上のタンパク質の集合体。サルコメアにはThick filamentとアクチンフィラメントが結晶のように整然と配置されており、カルシウム濃度が上昇すると、これらのフィラメントがお互いに滑り合って筋肉の収縮が起こる。矢印は収縮時の滑りを示す。

しかし従来法では、分子レベルで直接的かつ詳細に観察・画像化することが難しく、治療薬の候補となる化合物の効果を精密に調べることに大きな制約がありました。そこで、共同研究チームは、収縮時にミオシンの構造変化が起こり力を発生する瞬間を、これまでにない解像度で直接観察するための技術開発を試みました。

注1)James A. Spudich. Hypertrophic and Dilated Cardiomyopathy: Four Decades of Basic Research on Muscle Lead to Potential Therapeutic Approaches to These Devastating Genetic Diseases. Biophysical Journal Volume 106 March 2014 1236–1249

研究手法と成果

今回、共同研究チームは、DNAオリガミ技術で作成した足場とヒト筋肉のミオシンを用いて、モータータンパク質のミオシン分子を天然の状態と同じように厳密に配置しつつ、その密度を調整できるナノシステム(人工thick filament)を設計しました(図2)。

図2 人工的に設計した筋肉のナノシステム(人工thick filament)a) DNAオリガミで作製したナノ構造物に、ヒト筋肉のミオシンを連結した人工thick filament。1nm(ナノメートル)は10億分の1メートル。

b)高速原子間力顕微鏡(高速AFM)で観察した人工thick filament。白矢頭はミオシンを示す。

c)アクチンフィラメントに結合した人工thick filament。上が高速AFMでの観察(白矢頭はミオシン分子)、下は模式図を示す。天然のサルコメアで観察された構造と同じものが再現できたことが分かる。 

これにより、人工thick filamentに沿ってアクチンフィラメントが滑るときの筋肉ミオシンの分子形状を、高解像度で画像化することに世界で初めて成功しました(図3)。ミオシンの「レバーアーム」と呼ばれる部位が収縮時に2段階で構造変化を起こし力が発生することで、十分な収縮が引き起こされます(図3b)。しかし、レバーアームがthick filament内の別のミオシンの影響を受け、1段階目の構造変化によって力が発生し停止したまま運動を終了したり(収縮)、1段階目の力が発生した後に逆方向に構造変化し、力が発生する前の構造に戻り(弛緩)、再度、構造変化を起こして力が発生したりする(収縮)(図3c)など、柔軟なダイナミクスを持ちながら収縮を引き起こしていることが分かりました。

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