NMR分光・X線結晶解析・クライオ電顕法・高速回転関数法による筋肉超分子構造決定

使用核磁共振波谱、X 射线晶体学、冷冻电子显微镜和快速旋转函数法测定肌肉超分子结构

基本信息

批准号：
17053026
负责人：
若林健之
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Teikyo University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

骨格筋と心筋では,細胞内カルシウム濃度が1μMを越えるとアクチンとミオシンとの相互作用が活性化され,二種類のフィラメントは滑りあって筋収縮が生じる。カルシウムの標的はアクチンと結合するトロポニンであり,カルシウムによるトロポニンの構造変化は収縮制御のトリガーとなる。トロポニンは3つのコンポーネントからなっている。TnTはトロポミオシンと結合し,TnCはカルシウムを結合し,TnIはアクチンと結合して収縮を阻害する。カルシウムを結合したTnCはTnIと強く結合し,TnIの阻害活性を喪失させる。TnCとCa^<2+>の結合は結晶解析やNMR分光法で原子レベルで研究されてきたが,筋弛緩の分子機構を明らかにする上で重要なトロポニンとアクチンの結合の詳細は不明であった。アクチン・トロポミオシン・トロポニンの分子比は7:1:1であり,1分子のトロポニンが7分子のアクチンを制御しなければならない。トロポミオシンは長さが約400Åの棒状分子であり,7分子のアクチンと結合しているので,トロポニン→トロポミオシンへ伝搬すると,長さ約400Åの範囲に広がり,7分子のアクチンが制御されると想定されてきたが,その詳細は不明であった。本研究では,クライオ電子顕微鏡法で得られた細いフィラメントの立体構造から明らかにされたトロポニンのアクチン結合ドメインの原子構造を,トロポニン三者複合体のNMR分光により決定し,これを電子顕微鏡マップに当て嵌め,アクチンとトロポニンが11個の塩橋を介して結合することを明らかにした。これに関与するアミノ酸の内,6個でその変異が家族性心筋症を引き起こすことが知られており,本研究はその病因を原子モデルのレベルで明らかにした。また,アクチンに結合したトロポニンはトロポミオシンを押すことによりトロポミオシンを移動させ,アクチン7分子へと制御を拡大していることを提唱した。

在骨骼肌和心肌中，当细胞内钙浓度超过1μM时，肌动蛋白和肌球蛋白之间的相互作用被激活，两种类型的肌丝相互滑动，引起肌肉收缩。钙的作用靶标是肌钙蛋白，肌钙蛋白与肌动蛋白结合，钙引起的肌钙蛋白结构变化触发收缩控制。肌钙蛋白由三个成分组成。 TnT 结合原肌球蛋白，TnC 结合钙，TnI 结合肌动蛋白以抑制收缩。钙结合的 TnC 与 TnI 强烈结合，导致 TnI 的抑制活性丧失。 TnC和Ca ^ 2+ 之间的结合已经使用晶体分析和NMR光谱在原子水平上进行了研究，但是对于阐明肌肉松弛的分子机制很重要的肌钙蛋白和肌动蛋白之间的结合细节仍然未知。有。肌动蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白的分子比为7:1:1，一分子肌钙蛋白必须控制七分子肌动蛋白。原肌球蛋白是一种杆状分子，长度约为400 Å，与7个肌动蛋白分子结合，因此当它从肌钙蛋白传播到原肌球蛋白时，假设它会在长度约400 Å的范围内扩散并控制7个肌动蛋白分子，但具体细节尚不清楚。在本研究中，我们通过肌钙蛋白三元复合物的核磁共振波谱确定了肌钙蛋白肌动蛋白结合域的原子结构，该原子结构是通过冷冻电子显微镜获得的细丝的三维结构揭示的，并将其转换为肌钙蛋白三元复合物的核磁共振波谱。拟合显示肌动蛋白和肌钙蛋白通过 11 个盐桥连接。已知与此相关的六种氨基酸的突变会导致家族性心肌病，这项研究在原子模型水平上阐明了其发病机制。我们还提出，与肌动蛋白结合的肌钙蛋白通过推动原肌球蛋白来移动原肌球蛋白，将其控制范围扩展到七个肌动蛋白分子。