細胞内の運送屋、タンパク質「ダイニン」の自己制御メカニズムを発見

細胞は、タンパク質や脂肪などの物質合成を行う場所と、その生成物を使用する場所とが離れています。生成物を目的地まで運ぶシステム、消費によってできた老廃物を処理場まで運ぶシステムなど、わずか数十マイクロメータほどの直径の細胞の中で、活発な物質輸送が行われています（図1参照）。このような細胞内での活発な物質輸送、例えば、細胞核周辺で合成したタンパク質や細胞小器官を細胞周辺部に輸送をしたり、細胞周辺部で細胞外から取り込んだ物質を細胞の中心に輸送することなどは、細胞の生命維持に必須なシステムです。この輸送を行っているのは、モータータンパク質と呼ばれるタンパク質群です。このタンパク質群には、微小管と呼ばれるタンパク質フィラメントの上を動くキネシンとダイニン、アクチンフィラメントと呼ばれるタンパク質フィラメントの上を運動するミオシンなどが含まれます。微小管は、細胞内で、細胞の中心に位置している核の近くから細胞の周辺に向かって伸びる輸送経路のネットワークを作っています。細胞中心から周辺に向かう「下り」の輸送には主にキネシン、細胞周辺から中心への「上り」の輸送にはダイニンが働いています。この細胞内の物質輸送では、どのような物質が、いつ、どこに運ばれるのかが厳密に制御されている必要があります。私たちの日常生活でお世話になっている物流システムにおける制御のように、細胞内での物質輸送の制御は、厳密にかつ階層的に行われていることが明らかになりつつあります。しかし、上りの輸送を一手に引き受けているダイニンについては、いくつかの制御因子の存在が示されているものの、階層的な制御の最も基礎に当たるモータータンパク質自身の運動活性制御のメカニズムは明らかにされていませんでした。

本研究では、ヒト由来の培養細胞（HEK293細胞)に、ヒト細胞質ダイニンの重鎖を発現させて、発現したダイニンを精製しました。細胞質ダイニンは、軽鎖や中間鎖を結合した複雑なタンパク質複合体として精製できました。透過型電子顕微鏡で観察したダイニン分子は、溶液中のヌクレオチドの状態によって2つの分子形態が観察されました。図2は、2つのリング状頭部がぴったりと背中合わせにくっついている分子像と、2つの頭部が離れている分子像です。この2種類の分子形態の間の移り変わりを通して、ダイニンは自らの運動を制御していることが明らかとなりました。

ヒト培養細胞から精製した細胞質ダイニンの1分子の微小管上での運動を光学顕微鏡で観察したところ、微小管上をふらふらと行ったり来たりする拡散的な運動をしているだけで、細胞内で見られる積極的な輸送のような一方向性の運動は観察されませんでした（図3上参照）。一方で、複数の細胞質ダイニンが一つの物質に同時に結合して働くような状況を、DNAオリガミと呼ばれる構造体の上に実験的に構成すると、2分子以上のダイニンが集まるだけで、その他のタンパク質制御因子を加えることなく、細胞内輸送のような一方向性の運動が再現されました（図3下参照）。