生物分子モーター研究室

 

伊藤光二 教授 生化学・生物物理学・植物生理学、ミオシンの機能解析 理学部３号館509号室 k-ito#faculty.chiba-u.jp（#→@）
原口武士 助教 植物生理学、植物特異的なミオシンの機能解析 理学部３号館506号室 t-haraguchi#chiba-u.jp（#→@）



動かない植物の成長を支配する高速で動くミオシンXI

すべての真核生物はモーター蛋白質ミオシンを持っています。ミオシンは79のクラスにわたるスーパーファミリーを形成しており，ミオシンの特性（速度，力）はクラスにより大きく異なります。植物は動くことができないですが，面白いことに植物特異的なミオシン11は，すべてのクラスのミオシンの中で最も高速です。私達の研究室では一分子レベルから植物個体レベルまで様々な生物階層を研究材料として用いて，分子生物学的，生化学的，生物物理学的，植物生理学的など多方面のアプローチによりミオシン11の機能，役割を明らかにすることを目指しています。これまで，私達はミオシン11の高速運動の分子基盤解明や，ミオシン11が引き起こす原形質流動の生理的役割解明などをおこなってきました。最近では，ミオシン11による自律的なアクチン繊維配向機構やミオシン11の高速化による資源植物の大型化に注力しています。

研究紹介動画（YouTube）

主な研究テーマ

  1. ミオシン11高速化による植物の大型化
  2. シャジクモのミオシン11の高速運動の分子基盤の解明
  3. シロイヌナズナの13種類のミオシン11の機能解析
  4. ミオシン11によるアクチンの自律的な極性配向機構
  5. 生物界で最速のミオシンの探索とその構造解析
  6. ミオシン11の自己制御機構の解明

ミオシン11高速化による植物の大型化

シロイヌナズナのミオシン11のモータードメインをシャジクモのものに遺伝子工学的に置換し高速化したところ，シロイヌナズナ細胞内の原形質流動速度が高速化し，シロイヌナズナの植物体が巨大化することを明らかにしました（早稲田大学 富永博士との共同研究）。原形質流動の役割については原形質流動の発見から200年にわたり明確な答えがありませんでしたが，本研究により，原形質流動は植物の大きさを規定する要因の一つということが明らかにしました。植物細胞におけるかったが本研究はそれに対しての回答を与えました。現在はこのシステムを用いて資源植物である単子葉植物の大型化，穀物量の増大を目指して研究を行っています。

シャジクモのミオシン11の高速運動の分子基盤の解明

シャジクモのミオシン11は他のすべての動植物のミオシンと比べて桁違いに速い生物界最速のミオシンです。何故，それほど速度が速いのかをストップドフロー装置を用いたキネティクス解析を行った結果，アクトミオシンからのADP解離速度が非常に速く，それにより超高速運動を行っていることがわかりました。さらに，ほとんどのミオシンはループ2と呼ばれる領域でアクチンと結合しますが，シャジクモのミオシン11はループ３で結合し，アクトミオシンからのADP解離速度を加速させていることがわかリました。現在はシャジクモのミオシン11の結晶化によりさらなる高速運動をおこす分子基盤の解明を目指しています。

シロイヌナズナの13種類のミオシン11の機能解析

シロイヌナズナには13種類のミオシン11が発現しています。一般に同じクラスのミオシンは速度や酵素活性などの特性は同じですが， 13種類のミオシン11は速度も酵素活性も大きく異なり，高速，中速，低速の3つのタイプに分かれることがわかました。さらに高速は生殖成長時期に多く発現し，中速は普遍的に発現し，低速も普遍的だが，発現場所が核の周囲特異的であることがわかりました。これにより，高等植物は成長や役割に応じて速度，酵素活性が異なるミオシン11を使い分けていることがわかりました。現在は13種のミオシン11とシロイヌナズナに発現している8種類のアクチンとを「どのように選んでいるか」を調べています。

ミオシン11によるアクチンの自律的な極性配向機構

植物細胞は細胞膜近傍のわずかな細胞質領域にアクチン繊維の束が一方向性の極性をもって並んでいます。このため，小胞体に結合したミオシン11が一方向性に並んだアクチン繊維の上を，アクチンの極性にそって一方向に動くので，植物細胞には原形質流動と呼ばれている「一方向性の細胞内の流れ」が起こっています。原形質流動が効率良く生じるためには，アクチン繊維が一方向性の極性をもって配向することが非常に重要です。では，どのような機構によってアクチン繊維が一方向性の極性を持って並ぶのでしょうか？私達は，in vitroの実験系を使ってこの問題に取り組んでいます。

生物界で最速のミオシンの探索とその構造解析

シャジクモの原形質流動速度は桁違いに速いので，シャジクモ内には「生物界最速のミオシン」が存在することが示唆されていました。そこでシャジクモ (Chara braunii)から4つのミオシン11をクローニングし，運動速度解析をしました。その結果，Cb11-1がシャジクモの原形質流動と同程度の速度をもつ，生物界最速のミオシンであることを明らかにしました。さらに，世界で初めてミオシン11の結晶構造から高分解能の立体構造を決定し，超高速の運動にアクチン結合部位が関わることを明らかにし，変異体実験からも実証しました。現在は変異体を用いてより詳細にミオシン11の超高速の運動に関わる部位を調べています。

ミオシン11の自己制御機構の解明

原形質流動は植物の生存に関わるため，その制御機構の解明は重要です。シロイヌナズナのミオシン11のMYA2は小胞体などのオルガネラに結合し，原形質流動を駆動する役割を担っています。しかし，MYA2の活性制御機構は不明でした。そこで私達は昆虫細胞発現系を用いてMYA2を精製し，運動速度およびATPase活性を測定しました。その結果，MYA2の活性は自己の球状尾部ドメインにより制御されることが明らかになりました。現在は球状尾部ドメインの変異体を作製してより詳細に活性制御機構を解明しています。

最近の研究業績

原著論文

  1. Autoregulation and dual stepping mode of MYA2, an Arabidopsis myosin XI responsible for cytoplasmic streaming
    Haraguchi T., Ito K.*, Morikawa T., Yoshimura K., Shoji N., Kimura A., Iwaki M.*, Tominaga M*
    Sci Rep. 2022 Feb 24;12(1):3150. doi: 10.1038/s41598-022-07047-0.
    (*corresponding author)
  2. Discovery of ultrafast myosin, its amino acid sequence, and structural features
    Haraguchi T., Tamanaha M., Suzuki K., Yoshimura K., Imi T., Tominaga M., Sakayama H., Nishiyama T., Murata T.*, and Ito K.*
    Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2022 Feb 22;119(8):e2120962119. doi: 10.1073/pnas.2120962119.
    (*corresponding author)
  3. Functional Diversity of Class XI Myosins in Arabidopsis thaliana
    Haraguchi T., Ito K.*, Duan Z, Rula S, Takahashi K., Shibuya Y., Hagino N., Miyatake Y., Nakano A., Nakano A., and Tominaga M*
    Plant Cell Physiol 59(11):2268-2277 doi: 10.1093/pcp/pcy147
    (*corresponding author)
  4. Arabidopsis vegetative actin isoforms, AtACT2 and AtACT7, generate distinct filament arrays
    in living plant cells
    Kijima ST, Staiger CJ, Katoh K, Nagasaki A, Ito K, Uyeda TQP
    Sci Rep 8(1):4381. doi: 10.1038/s41598-018-22707-w (2018)
  5. Measurement of enzymatic and motile activities of Arabidopsis myosins by using Arabidopsis actins.
    Rula S, Suwa T, Kijima ST, Haraguchi T, Wakatsuki S, Sato N, Duan Z, Tominaga
    M, Uyeda TQP, and Ito K.*
    Biochem Biophys Res Commun. 495(3):2145-2151. doi: 10.1016/j.bbrc.2017.12.071 (2018)
    (*corresponding author)
  6. Myosin XI-I is mechanically and enzymatically unique among class XI Myosins in Arabidopsis
    Haraguchi T., Tominaga M., Nakano A., Yamamoto K., and Ito K.*
    Plant Cell Physiol 57(8):1732-1743. doi: 10.1093/pcp/pcw097 (2016)
    (*corresponding author)
  7. Molecular Characterization and Subcellular Localization of Arabidopsis class VIII myosin, ATM1
    Haraguchi T., Tominaga M., Matsumoto R., Sato K., Nakano A., Yamamoto K., and Ito K.*
    J Biol Chem 289 (18), 12343–12355 (2014) 　doi: 10.1074/jbc.M113.521716.
    (*corresponding author)
  8. 植物の大きさはミオシンモーターのスピードで決まる！
    富永基樹*，伊藤光二*
    生物物理 54（5），259-261（2014）
    DOI: 10.2142/biophys.54.001
    (*corresponding author)
  9. Cytoplasmic Streaming Velocity as a Plant Size Determinant.
    Tominaga M.*, Kimura A., Yokota E., Haraguchi T., Shimmen T., Yamamoto K., Nakano A., Ito K.*
    Dev Cell 27(3), 345–352, (2013) doi: 10.1016/j.devcel.2013.10.005.
    (日本経済新聞，産経新聞，朝日新聞，東京新聞，日刊工業新聞，Yhoo!ニュースで紹介
    Faculty of 1000 (F1000)選出）
  10. Function of the head-tail junction in the activity of myosin II.
    Haraguchi T., Honda K., Wanikawa Y., Shoji N., Yamamoto K., Ito K.*
    Biochem Biophys Res Commun 440(4):490-494. (2013) doi: 10.1016/j.bbrc.2013.09.038
    (*corresponding author)
  11. Rapid nucleotide exchange renders Asp-11 mutant actins resistant to depolymerizing activity of cofilin, leading to dominant toxicity in vivo.
    Umeki N., Nakajima J., Noguchi TQ., Tokuraku K., Nagasaki A., Ito K., Hirose K., Uyeda TQ.
    J Biol Chem 288(3):1739-1749. (2013) doi: 10.1074/jbc.M112.404657.
  12. G146V mutation at the Hinge Region of Actin Reveals a Myosin Class-specific Requirement of Actin Conformations for Motility.
    Noguchi TQ., Komori T., Umeki N., Demizu N., Ito K., Iwane AH., Tokuraku K., Yanagida T., Uyeda TQ. G146V
    J Biol Chem 287 (29), 24339-24345 (2012). doi: 10.1074/jbc.M111.321752.
  13. Unique charge distribution in surface loops confers high velocity on the fast motor protein Chara myosin.
    Ito K.*, Yamaguchi Y., Yanase K., Ichikawa Y., Yamamoto K.
    Proc Natl Acad Sci U S A 106(51):21585-90. (2009)
    (*corresponding author)
  14. Binding of Chara Myosin Globular Tail Domain to Phospholipid Vesicles.
    Nunokawa SY, Anan H, Shimada K, Hachikubo Y, Kashiyama T, Ito K. and Yamamoto K.
    Plant Cell Physiol 48(11),1558-1166. (2007)
  15. Kinetic characterization tail swing steps in the ATPase cycle of Dictyostelium cytoplasmi dynein
    Mogami T., Kon T. Ito K.. and Sutoh K.
    J Biol Chem 282 (30), 21639-21644 (2007).
  16. Kinetic mechanism of the fastest motor protein, Chara myosin.
    Ito K.*, Ikebe M., Kashiyama T., Mogami T., Kon T. and Yamamoto K.
    J Biol Chem 282 (27), 19534-19545 (2007).
    (*corresponding author)
  17. Chara myosin and the energy of cytoplasmic streaming.
    Yamamoto K, Shimada K, Ito K, Hamada S, Ishijima A, Tsuchiya T, Tazawa M.
    Plant Cell Physiol 47 (10), 1427-31 (2006)
  18. Importance of the converter region for the motility of myosin as revealed by the sudies on chimeric Chara myosins.
    Seki M., Kashiyama T., Hachikubo Y., Ito K. and Yamamoto K.
    J Mol Biol 344 (2), 311-315 (2004)
  19. The Motility of Chara corallina Myosin was Inhibited Reversibly by 2,3-Butanedione Monoxime (BDM).
    Funaki K,, Nagata A., Akimoto Y., Shimada K, Ito K, Yamamoto K. Plant Cell Physiol 45(9), 1342-5 (2004)
  20. Recombinant motor domain constructs of Chara corallina myosin display fast motility and high ATPase activity.
    Ito K*., Kashiyama T., Shimada K., Yamaguchi A., Awata J., Hachikubo Y., Manstein D. J. and Yamamoto K. Biochem Biophys Res Commun 312 (4), 958-964. (2003) (*corresponding author)
  21. Requirement of domain-domain interaction for conformational change and functional ATP hydrolysis in myosin.
    Ito K*., Uyeda T. Q. P., Suzuki Y., Sutoh K. and Yamamoto K. J Biol Chem 278 (33), 31049-57. (2003)
    (*corresponding author)
  22. Some motile properties of fast characean myosin.
    Awata J., Kashiyama T., Ito K.and Yamamoto K.
    J Mol Biol 326 (3). 659-663 (2003)
  23. Roles of hydrophobic triplet in the motor domain of myosin in the interaction between myosin and action.
    Hachikubo Y., Ito K. and Yamamoto K.
    J Biochem. 134, 165-171. (2003)
  24. Susceptibility of chara myosin to SH reagents.
    Seki M., Awata J., Shimada K., Kashiyama T, Ito K. and Yamamoto K.
    Plant Cell Physiol 44 (2). 201-205. (2003)

総説

  1. Tominaga M.* and Ito K.* (2015) The molecular mechanism and physiological role of cytoplasmic streaming. Curr Opin Plant Biol 27, 104–110

特許

  1. 米国特許:13/344574
    PLANT WITH ENHANCED ABILITY TO GROWTH AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
    発明の名称：成長増強植物及びその作出方法
    富永基樹, 伊藤光二
  2. 国内特願2018-007923
    成長が増強された形質転換植物及びその製造方法
    富永基樹，伊藤光二