回転分子モーター蛋白質の駆動力伝達部位の弾性が回転速度・トルクに与える影響

旋转分子马达蛋白驱动力传递位点弹性对转速和扭矩的影响

基本信息

批准号：
19K03776
负责人：
古池晶
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Osaka Medical and Pharmaceutical University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

ATP合成酵素(FoF1)の構造はユニークで，2つの回転分子モーターFoとF1が共通の回転軸γで連結されている。回転軸γの棒状部分（反平行αヘリカルヘリックス構造）は，F1の円筒型の固定子（α3β3リング）に深く刺さり，リング上部領域と下部領域のみで接触している。リングと接触していない中間領域は，回転の駆動力伝達だけを担うドライブシャフトと考えられる。本研究では，この回転軸(駆動力伝達部位)の弾性率(物理的性質)が，分子内のトルク発生(力と方向)や回転速度へ与える影響を，ATP駆動で回転するF1を観察することで調べた。FoF1のみならず，タンパク質の弾性とその機能との関係を明らかにするという意味でも新しい試みである。回転軸の弾性率を変えた2通りのF1変異体を作製した。回転軸の中間領域を構成する２本のαヘリックスの両方ともに自由回転領域を導入した「ドライブシャフトの弾性がゼロの変異体N」と，片方にだけに導入した「ドライブシャフトの弾性を弱めた変異体A」である。本年度は，負荷（溶液からの粘性抵抗）をかけた状態の回転速度を解析した。平均の回転トルクを見積もると，野生型F1と比較して，変異体Aでは～3/4に，変異体Nでは～1/3に減少した。また，回転軸の下部接触領域を全て欠いたF1変異体では，～1/10へと減少することを考慮すると，下部接触領域はトルク発生あるいは伝達に重要である。シンプルにこれらの結果を解釈すると，弾性がゼロの回転軸であっても相当の駆動力を伝達していることになる。ミクロのモーターでは，回転速度だけではなく「駆動力発生・伝達の役割も固定子と回転子の両方が担う」可能性を示唆している。

ATP合酶（FoF1）的结构是独特的，具有两个旋转分子马达Fo和F1，通过共同的旋转轴γ连接。旋转轴γ的杆状部分（反平行α螺旋结构）深深地插入F1的圆柱形定子（α3β3环）中，并且仅在环的上部和下部区域接触。不与环接触的中间区域可以被认为是仅负责传递旋转驱动力的驱动轴。在本研究中，我们将观察该旋转轴（驱动力传递部位）的弹性模量（物理性质）对由 ATP 驱动旋转的 F1 的分子内扭矩产生（力和方向）和转速的影响。这是阐明FoF1和蛋白质弹性及其功能之间关系的新尝试。我们创建了两个具有不同旋转轴弹性模量的 F1 突变体。在构成旋转轴中间区域的两个α螺旋中引入自由旋转区域的“驱动轴零弹性突变体N”，以及“零弹性突变体N”在驱动轴中，其中仅将自由旋转区域引入“突变体A”之一。今年，我们分析了负载下的转速（溶液的粘性阻力）。与野生型 F1 相比，突变体 A 的平均旋转扭矩估计约为 3/4，突变体 N 的平均旋转扭矩约为 1/3。此外，考虑到在F1突变体中，缺乏旋转轴的整个下接触面积，下接触面积减少到~1/10，下接触面积对于扭矩的产生或传递很重要。对这些结果的简单解释表明，即使弹性为零的旋转轴也能传递相当大的驱动力。在微型电机中，这表明除了确定转速之外，“定子和转子都发挥着产生和传递驱动力的作用”。