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筋肉が高速かつ高効率に収縮する仕組みを解明 ~省エネルギーなナノデバイス設計への応用に期待~

 大阪大学は2017年1月11日,同大学大学院 生命機能研究科の藤井 高志特任助教(常勤)と難波 啓一教授が,骨格筋を形作るアクトミオシン複合体繊維の立体構造を解明し,骨格筋が高速かつ高いエネルギー効率で収縮する仕組みを明らかにしたと発表した.本研究は文部科学省科学研究費の助成を受けて行われ,成果は英国科学誌Nature Communicationsにオンライン掲載された(注).

 骨格筋の収縮運動は,太い繊維であるミオシン繊維と,細い繊維であるアクチン繊維が反応することで生じるが,その素早い動きやエネルギー効率の高さについては解明が進んでいなかった.これまでの研究で,ミオシン繊維頭部のX線結晶構造の解析から,ミオシン頭部によるATP(アデノシン三リン酸)の加水分解がアクチン繊維との相互作用により加速され,その繰り返しの中で起こるミオシン頭部の構造変化が筋収縮力の発生原因と考えられていた.しかし,ミオシン繊維とアクチン繊維複合体(アクトミオシン)の強固な構造が緩んで,ATPの加水分解生成物が離脱する仕組みは明らかにされてはいなかった.

 本研究において研究グループは,急速冷凍して氷薄膜に包埋した生体材料の観察が可能な透過型電子顕微鏡(クライオ電子顕微鏡)と画像解析技術を活用し,ミオシン繊維がアクチン繊維に結合する際に,ミオシン繊維頭部に起こる構造変化を5.2Åの高い解像度で観察した.それにより次のメカニズムが明らかになった.ミオシン繊維の頭部には,エネルギー源であるATPが結合するポケットがあり,そのポケットが大きく開いて,ATPの加水分解物であるADP(アデノシン二リン酸)とPi(リン酸)がミオシンから急速に解離する.そこに再びATPが結合することで,逆の構造変化が起こり,アクトミオシンの結合が弱結合状態に移行して,ミオシン頭部がアクチン繊維から解離するのを加速する.これに加えて,アクトミオシンの弱結合状態は,ラチェット構造に似た極めて非対称な結合をしていることから,ランダムな熱ゆらぎによるミオシン頭部の動きが,解離方向に偏る可能性が高いことが明らかになった.その結果,ATP分子が加水分解される毎に,ミオシン繊維とアクチン繊維の滑る距離が,ミオシン頭部の構造変化の大きさより極めて長くなり得ることが分かった.さらに,この動きは,熱ゆらぎによる分子のランダムな動き(ブラウン運動)のエネルギーも利用することで,極めて高いエネルギー効率を実現していることも明らかになった.

 本研究の成果は,アクチンやミオシンの異変による病因解明や治療法の開発,さらには極めて省エネルギーなナノデバイス設計などへの応用が期待されるという.

(注)Takashi Fujii and Keiichi Namba, "Structure of actomyosinrigor complex at 5.2-Å resolution and insights into the ATPase cycle mechanism", Nature Communications , Vol. 8, Article number: 13969 (2017), doi: 10.1038/ncomms13969; Published online: 09 January 2017