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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 :このマークが付してある著作物は、第三者が有する著作物ですので、同著作物の再使用、同著作 物の二次的著作物の創作等については、著作権者より直接使用許諾を得る必要があります。引用 情報のない図版は、講演者の有する著作物の中から引用されたものです。

分子モーターはどのように動くか - UTokyo OpenCourseWare...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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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

‡:このマークが付してある著作物は、第三者が有する著作物ですので、同著作物の再使用、同著作

物の二次的著作物の創作等については、著作権者より直接使用許諾を得る必要があります。引用情報のない図版は、講演者の有する著作物の中から引用されたものです。

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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

Page 40: 分子モーターはどのように動くか - UTokyo OpenCourseWare...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

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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