生体ナノシステムの制御（樋口　秀男）

研究領域名

生体ナノシステムの制御

研究期間

平成16年度～平成20年度

領域代表者

樋口　秀男（東京大学・理学部物理学科・教授）

領域代表者からの報告

（1）研究領域の目的及び意義

　個体の基本単位は細胞である。この細胞は多数のシステムによって構成され、その多様な機能はこれらシステムの相互作用の結果として生み出される。本研究領域では、生体機能が営まれるシステムの中でもナノメートルサイズの最小の複合体システムに注目し、これを「生体ナノシステム」（以下ナノシステム）として扱う。ナノシステムには、タンパク質、DNA、RNA、脂質などを構成成分とするものがあるが、本研究領域ではタンパク質で構成されたナノシステムに焦点を当て、単一のナノシステムばかりではなく、ナノシステムが更に多数集まった高次ナノシステムや細胞内で複数のナノシステムが相互作用しながら機能する細胞内ナノシステムに注目し、ナノシステムの構造・機能・制御の解明を通じて、細胞機能を、ナノシステムを単位とした視点で理解することを目指す。Ca2+やリン酸化などの化学因子による制御に加え、“力”を制御因子の一つとして扱うのが本特定領域研究の特長の一つである。
　タンパク質の構造と機能の解析のみでは、生物個体の機能制御を解明することはできない。個体の理解には、細胞機能の理解が不可欠である。このためには本研究領域のように、タンパク質分子の制御と構造の理解の上に、タンパク質の単一・高次・細胞のナノシステムを1つの体系としてとらえ、細胞の機能とその制御を分析的かつ統合的に解明することが必要である。本研究領域はゲノム、タンパク質機能そして細胞機能を結ぶモデル領域となることが期待される。

（2）研究成果の概要

　本研究領域の研究は3つの研究項目（単一・高次・細胞ナノシステム）に便宜的に分けたが、領域研究が進むにつれてこれら項目が有機的に関連した大きなテーマへと発展をした。顕著な成果をあげた「ナノシステムの制御」テーマは、次の3つである。（1）多種類のダイニン分子－鞭毛－細胞内鞭毛運動系：ダイニン分子は多数の軽鎖をつけた巨大分子ナノシステムであり、多種の鞭毛ダイニンの運動や構造を詳しく解析した。ダイニンが3次元的に高度に組織化した高次ナノシステムである鞭毛の構造や運動機構の基本を解明し、マウス内での細胞内鞭毛ナノシステムの運動を捉えることもできた。（2）小胞－輸送－細胞（神経）ナノシステム系：小胞輸送モーター（ダイニン、キネシン、ミオシン）の精製法の確立と機能・構造研究を徹底的に行い、細胞内の小胞輸送系の全容を単一ナノシステムレベルで解明し、神経細胞のシナプス形成や神経伝達をイメージに展開した。（3）微小管－アミロイド－アルツハイマーナノシステム系：微小管の重合や集合化を制御するタンパク質Tauは、Pin1によるリン酸化により微小管結合の制御を受けた。Pin1をノックアウトするとTauの働きなどで微小管がアミロイド化し、さらにマウスがアルツハイマー様の運動失調を起こすことを明らかにした。
　これら本研究領域で得られた単一・高次・細胞内のナノシステムの構造・機能の分析的かつ統合的な研究は、細胞の根源的な階層性問題を解く道筋を与えた。

審査部会における所見

A　（研究領域の設定目的に照らして、十分な成果があった）

　本研究領域では、モータータンパク質を中心とした1分子科学の分野において、ダイニンやキネシンなどのナノレベルの機能複合体の構造とダイナミクスを、階層性に着目したアプローチで明らかにした。ナノ複合体の可視化による研究には目を見張るものがあり、本研究領域の設定目的は十分に達成された。次世代を担う中枢研究者も含めて研究全体が着実に成果をあげ、特に、ダイニンを中心としたナノレベルのモータータンパク質の運動にフォーカスした研究で世界に発信できる知見が得られたことから、研究領域として十分な成果があった。また、物理学分野と生化学分野との連携や、分子から細胞まで階層間の連携の手がかりが得られ、次のステップへの成果が見られたことは高く評価する。国際的な連携をうまく進めているが、国際的な競争が年々激化している分野であり、今後、研究をどのように発展させ、日本の強みや優位性をどのように伸ばしていくのか、新しい分野としての展望をはっきりと打ち出していく必要がある。