分子モーターはどのように動くか - UTokyo...
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分子モーターはどのように動くか
2006年11月27日東京大学医学研究科 廣川信隆
分子モーターから観た生命科学
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Low-angle, rotary shadowing electronmicrograph
Kinesin
KIF1A
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Okada et al.Science 283:1152-, 1999
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Optical Trapping Nanometry
Spatial resolution < 0.2 nmTemporal resolution < 1 ms
0.2μm beads⇒Small viscous drag
⇒ High temporal resolution
(Response time ≦ 0.25 ms)
Okada,Higuchi, and Hirokawa Nature 424:574-2003
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Immobilization of KIF1A to Bead
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Bidirectional and Step-wise Movement of a Single KIF1A Monomer
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One ATP Hydrolysis Triggers One Stepping Movement.
Time (s)8 9 10
4080
120
-20 0 20
(nm)
(ms)-400
4080
120160
Cycle Time (ms)
0
200
400
600
800
0 200 400 600 800
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Step size of KIF1A is 8×n nm, and varies stochastically.
02468
10
-32 32160-16step (nm)
12
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Plus-end biased binding of KIF1A to the microtubule: ensemble average
Time (s)
on
0
2
4
-0.2 0 0.2
// MT⊥ MTControl
+-end
//^
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Flush Ratchet Model
α β α β α βα β
- +
KIF1AATP
Phosphate
drelease ~0 nm
Dwell Detach
Load F Drag -gv
1D-diffusion under load
dbind ~3 nm
ADPBind
① ②
③④
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Microtubule Structure Kikkawa et al.
JCB, 1994: Nature, 1995
Microtubule Microtubule-Kinesin complex
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KIF1A-Microtubule Complex:cryo EM(15Å resolution)
Kikkawa et al. Cell 100: 241-, 2000
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KIF1A-Microtubule Complex:cryo EM(15Å resolution)
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ADP ATP(AMPPNP)
View from outside
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ADP ATPView from outside
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Tarzan Model
“Drag force” = diffusion might reflect the fluctuation of theflexible tether between KIF1A and tubulin (K-loop & E-hook).
ターザン
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ki
Kikkawa et al. Nature 411: 439- ,2001
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Structural Biological Analysis of kinesin motors
KIF1A alternately uses two loops to bind microtubules
Nitta,R. et al. Science 305:678- , 2004
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Construction of KIF1A Motor Domain
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Chemo-mechanical cycle of kinesin motors
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Overall architecture of KIF1A
ATP(AMPPNP)
ADP-Pi (1)(ADP-AlF3)
ADP-Pi (2)(ADP-VO4)
ADP
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Conformational changes of two switch regions
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KIF1A*=ATP- Microtubule
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KIF1A=ADP-Pi -Microtubule
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KIF1A*=ADP-Pi -Microtubule
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KIF1A=ADP -Microtubule
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Nucleotide construct
wild type L12 L11 L8
AMPPNP 4.2±1.3 6.0±1.4 20.2±4.0 25.0±6.0
ADP 6.8±2.5 23.5±8.4 12.3±4.0 26.5±5.0
ATP 10.8±1.8 40.5±11.8 nd nd
ADP-AlFx 5.9±1.5 7.1±1.7 nd nd
ADP-Vi 21.4±4.3 167±66 nd nd
Equilibrium Binding Constants of KIF1A mutant
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Design principle
of Walker-
type NTPase
s
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Design principle of Walker-type NTPases
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Model for the processive movement of the monomeric kinesin KIF1A
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Univ. Tokyo
Takao NAKATAYoshimitsu KANAIYasuko NODASumio TERADAYosuke TAKEISen TAKEDAYasushi OKADAYosuke TANAKAMasahiko KAWAGISHIMitsutoshi SETOU
Laurent GUILLAUDRichard WONGJunlin TENGHarukata MIKIDae-Hyung SEOGChunjie ZHAOTerunaga NAKAGAWAMasahide KIKKAWAHiroaki YAJIMARyo NITTATadayuki OGAWA
UCSFRobert J. FletterickElena P. Sabrin
Univ. Hospital TokyoJunko TAKITAYasuhide HAYASHI
Niigata Univ. Brain Res. Inst.
Masaaki SAITOShoji TSUJI
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