顔写真

ニワ シンスケ
丹羽 伸介
Shinsuke Niwa
所属
高等研究機構学際科学フロンティア研究所 先端学際基幹研究部 生命・環境研究領域
職名
准教授
学位
  • 博士(医学)(東京大学)

  • 修士(医科学)(東京大学)

e-Rad 研究者番号
30714985
プロフィール
2007年東京大学医学系研究科分子細胞生物学専攻修了(指導教員 廣川信隆博士)。博士(医学)。
スタンフォード大学客員研究員(Kang Shen博士研究室)、東北大学学際科学フロンティア研究所テニュアトラック助教をへて、現在、東北大学学際科学フロンティア研究所テニュア独立准教授。
神経細胞の形づくりのメカニズムを分子モータータンパク質に着目して研究しています。哺乳類において分子モーターが細胞内輸送だけでなく、細胞の数、形、大きさなどを制御し、その異常が様々な疾患の原因となり得ることを示してきました。現在は線虫と哺乳類の培養細胞のメリットを生かして、微小管の制御機構が神経細胞の形態形成に果たす役割を解析しています。

経歴 5

  • 2019年4月 ~ 継続中
    東北大学 学際科学フロンティア研究所 准教授

  • 2018年6月 ~ 2019年2月
    カリフォルニア大学デイビス校 客員助教授

  • 2015年4月 ~ 2018年3月
    東北大学 学際科学フロンティア研究所 助教

  • 2012年9月 ~ 2015年3月
    スタンフォード大学 Visiting Scholar (Kang Shen 研究室)

  • 2007年4月 ~ 2012年8月
    東京大学医学系研究科 研究員 (廣川信隆 研究室)

学歴 3

  • 東京大学大学院 医学系研究科 細胞生物学教室

    2001年4月 ~ 2007年3月

  • 東京大学 理学部 生物学科動物学専攻

    1999年4月 ~ 2001年3月

  • 東京大学 理科II類

    1997年4月 ~ 1999年3月

委員歴 3

  • EMBO|EMBLシンポジウム「Microtubules: from atoms to complex systems」 オーガナイザー

    2023年 ~ 2024年

  • 日本細胞生物学会 第68回大会プログラム委員

    2016年 ~ 2017年6月

  • 内藤記念科学振興財団 第49回内藤コンファレンス組織委員

    2023年 ~

所属学協会 3

  • 米国細胞生物学会

  • 日本分子生物学会

  • 日本細胞生物学会

研究キーワード 5

  • 微小管

  • 分子モーター

  • 細胞生物学

  • 神経細胞

  • 細胞骨格

研究分野 1

  • ライフサイエンス / 細胞生物学 /

受賞 3

  1. 文部科学大臣表彰若手科学者賞

    2018年4月 文部科学省

  2. 日本解剖学会奨励賞

    2014年3月 日本解剖学会

  3. 優秀発表賞

    2013年6月 日本細胞生物学会

論文 49

  1. Comparative analysis of two Caenorhabditis elegans kinesins KLP-6 and UNC-104 reveals a common and distinct activation mechanism in kinesin-3. 国際誌 査読有り

    Tomoki Kita, Kyoko Chiba, Jiye Wang, Atsushi Nakagawa, Shinsuke Niwa

    eLife 12 2024年1月11日

    出版者・発行元:eLife Sciences Publications, Ltd

    DOI: 10.7554/eLife.89040  

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    Kinesin-3 is a family of microtubule-dependent motor proteins that transport various cargos within the cell. However, the mechanism underlying kinesin-3 activations remains elusive. In this study, we compared the biochemical properties of two Caenorhabditis elegans kinesin-3 family proteins, KLP-6 and UNC-104. Both KLP-6 and UNC-104 were predominantly monomeric in solution. As previously shown for UNC-104, non-processive KLP-6 monomer was converted to a processive motor when artificially dimerized. While it has long been thought that UNC-104 monomers do not have enough affinity to form homodimers, we found releasing the autoinhibition was sufficient to trigger dimerization of UNC-104 at nanomolar concentrations. In contrast, KLP-6 remained to be a non-processive monomer even when its autoinhibition was unlocked, suggesting a requirement of other factors for full activation. By examining the differences between KLP-6 and UNC-104, we identified a coiled-coil domain called CC2 that is required for the dimerization and processive movement of UNC-104. Our results suggest a common activation mechanism for kinesin-3 family members, while also highlighting their diversification.

  2. Autoinhibition and activation of kinesin-1 and their involvement in amyotrophic lateral sclerosis 招待有り 査読有り

    Kyoko Chiba, Shinsuke Niwa

    Current Opinion in Cell Biology 86 102301-102301 2023年12月

    出版者・発行元:Elsevier BV

    DOI: 10.1016/j.ceb.2023.102301  

    ISSN:0955-0674

  3. Modeling the motion of disease-associated KIF1A heterodimers. 国際誌 査読有り

    Tomoki Kita, Kazuo Sasaki, Shinsuke Niwa

    Biophysical journal 122 (22) 4348-4359 2023年11月21日

    DOI: 10.1016/j.bpj.2023.10.014  

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    KIF1A is a member of the kinesin-3 motor protein family that transports synaptic vesicle precursors in axons. Mutations in the Kif1a gene cause neuronal diseases. Most patients are heterozygous and have both mutated and intact KIF1A alleles, suggesting that heterodimers composed of wild-type KIF1A and mutant KIF1A are likely involved in pathogenesis. In this study, we propose mathematical models to describe the motility of KIF1A heterodimers composed of wild-type KIF1A and mutant KIF1A. Our models precisely describe run length, run time, and velocity of KIF1A heterodimers using a few parameters obtained from two homodimers. The first model is a simple hand-over-hand model in which stepping and detachment rates from a microtubule of each head are identical to those in the respective homodimers. Although the velocities of heterodimers expected from this model were in good agreement with the experimental results, this model underestimated the run lengths and run times of some heterodimeric motors. To address this discrepancy, we propose the tethered-head affinity model, in which we hypothesize a tethered head, in addition to a microtubule-binding head, contributes to microtubule binding in a vulnerable one-head-bound state. The run lengths and run times of the KIF1A heterodimers predicted by the tethered-head affinity model matched well with experimental results, suggesting a possibility that the tethered head affects the microtubule binding of KIF1A. Our models provide insights into how each head contributes to the processive movement of KIF1A and can be used to estimate motile parameters of KIF1A heterodimers.

  4. Generation of recombinant and chickenized scFv versions of an anti-kinesin monoclonal antibody H2. 国際誌 査読有り

    Shinsuke Niwa, Kyoko Chiba

    Cytoskeleton (Hoboken, N.J.) 2023年4月10日

    DOI: 10.1002/cm.21756  

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    Kinesin-1, a motor protein composed of the kinesin heavy chain (KHC) and the kinesin light chain (KLC), is essential for proper cellular morphogenesis and function. A monoclonal antibody (mAb) called H2 recognizes the KHC in a broad range of species and is one of the most widely used mAbs in cytoskeletal motor research. Here, we present vectors that express recombinant H2 in mammalian cells. We show the recombinant H2 performs as well as the hybridoma-derived H2 in both western blotting and immunofluorescence assays. Additionally, the recombinant H2 can detect all three human KHC isotypes (KIF5A, KIF5B, and KIF5C) and amyotrophic lateral sclerosis-associated KIF5A aggregates in cells. In addition, we developed a chickenized version of the H2 mAb's single chain variable fragment, which can be used in immunofluorescence microscopy and expands the potential applications of H2. Overall, our results demonstrate that recombinant H2 is a useful tool for studying the functions of KHCs.

  5. Dynein intermediate chains DYCI-1 and WDR-60 have specific functions in Caenorhabditis elegans. 国際誌 査読有り

    Maki Higashida, Shinsuke Niwa

    Genes to cells : devoted to molecular & cellular mechanisms 2023年2月6日

    DOI: 10.1111/gtc.12996  

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    Dynein is a microtubule-dependent motor protein required for cell division, retrograde intracellular transport, and intraflagellar transport (IFT). Dynein 1 and dynein 2 serve as molecular motors in the cytoplasm and cilia, respectively. Each dynein consists of multiple subunits. Although the components of dynein 1 and dynein 2 are different and specific in most species, a previous study has suggested that dynein intermediate chain subunit DYCI-1 is shared by both dynein 1 and 2 in Caenorhabditis elegans (C. elegans). Here, we show that C. elegans has two dynein intermediate chains-DYCI-1 and WDR-60-and their functions are different. Mutational analysis showed that dyci-1 is essential for the retrograde axonal transport of synaptic vesicles. In the same mutant allele, IFT is not affected at all. Instead, wdr-60 is essential for IFT. Thus, we suggest that dynein 1 and dynein 2 have specific intermediate chains in C. elegans as in other organisms.

  6. Insight into the regulation of axonal transport from the study of KIF1A-associated neurological disorder 招待有り 査読有り

    Kyoko Chiba, Tomoki Kita, Yuzu Anazawa, Shinsuke Niwa

    Journal of Cell Science 136 (5) 2023年1月19日

    出版者・発行元:The Company of Biologists

    DOI: 10.1242/jcs.260742  

    ISSN:0021-9533

    eISSN:1477-9137

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    ABSTRACT Neuronal function depends on axonal transport by kinesin superfamily proteins (KIFs). KIF1A is the molecular motor that transports synaptic vesicle precursors, synaptic vesicles, dense core vesicles and active zone precursors. KIF1A is regulated by an autoinhibitory mechanism; many studies, as well as the crystal structure of KIF1A paralogs, support a model whereby autoinhibited KIF1A is monomeric in solution, whereas activated KIF1A is dimeric on microtubules. KIF1A-associated neurological disorder (KAND) is a broad-spectrum neuropathy that is caused by mutations in KIF1A. More than 100 point mutations have been identified in KAND. In vitro assays show that most mutations are loss-of-function mutations that disrupt the motor activity of KIF1A, whereas some mutations disrupt its autoinhibition and abnormally hyperactivate KIF1A. Studies on disease model worms suggests that both loss-of-function and gain-of-function mutations cause KAND by affecting the axonal transport and localization of synaptic vesicles. In this Review, we discuss how the analysis of these mutations by molecular genetics, single-molecule assays and force measurements have helped to reveal the physiological significance of KIF1A function and regulation, and what physical parameters of KIF1A are fundamental to axonal transport.

  7. Structural model of microtubule dynamics inhibition by kinesin-4 from the crystal structure of KLP-12 -tubulin complex. 国際誌 査読有り

    Shinya Taguchi, Juri Nakano, Tsuyoshi Imasaki, Tomoki Kita, Yumiko Saijo-Hamano, Naoki Sakai, Hideki Shigematsu, Hiromichi Okuma, Takahiro Shimizu, Eriko Nitta, Satoshi Kikkawa, Satoshi Mizobuchi, Shinsuke Niwa, Ryo Nitta

    eLife 11 2022年9月6日

    DOI: 10.7554/eLife.77877  

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    Kinesin superfamily proteins are microtubule-based molecular motors driven by the energy of ATP hydrolysis. Among them, the kinesin-4 family is a unique motor that inhibits microtubule dynamics. Although mutations of kinesin-4 cause several diseases, its molecular mechanism is unclear because of the difficulty of visualizing the high-resolution structure of kinesin-4 working at the microtubule plus-end. Here, we report that KLP-12, a C. elegans kinesin-4 ortholog of KIF21A and KIF21B, is essential for proper length control of C. elegans axons, and its motor domain represses microtubule polymerization in vitro. The crystal structure of the KLP-12 motor domain complexed with tubulin, which represents the high-resolution structural snapshot of the inhibition state of microtubule-end dynamics, revealed the bending effect of KLP-12 for tubulin. Comparison with the KIF5B-tubulin and KIF2C-tubulin complexes, which represent the elongation and shrinking forms of microtubule ends, respectively, showed the curvature of tubulin introduced by KLP-12 is in between them. Taken together, KLP-12 controls the proper length of axons by modulating the curvature of the microtubule ends to inhibit the microtubule dynamics.

  8. De novo mutations in KIF1A-associated neuronal disorder (KAND) dominant-negatively inhibit motor activity and axonal transport of synaptic vesicle precursors. 国際誌 査読有り

    Yuzu Anazawa, Tomoki Kita, Rei Iguchi, Kumiko Hayashi, Shinsuke Niwa

    Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 119 (32) e2113795119 2022年8月9日

    DOI: 10.1073/pnas.2113795119  

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    KIF1A is a kinesin superfamily motor protein that transports synaptic vesicle precursors in axons. Cargo binding stimulates the dimerization of KIF1A molecules to induce processive movement along microtubules. Mutations in human Kif1a lead to a group of neurodegenerative diseases called KIF1A-associated neuronal disorder (KAND). KAND mutations are mostly de novo and autosomal dominant; however, it is unknown if the function of wild-type KIF1A motors is inhibited by heterodimerization with mutated KIF1A. Here, we have established Caenorhabditis elegans models for KAND using CRISPR-Cas9 technology and analyzed the effects of human KIF1A mutation on axonal transport. In our C. elegans models, both heterozygotes and homozygotes exhibited reduced axonal transport. Suppressor screening using the disease model identified a mutation that recovers the motor activity of mutated human KIF1A. In addition, we developed in vitro assays to analyze the motility of heterodimeric motors composed of wild-type and mutant KIF1A. We find that mutant KIF1A significantly impaired the motility of heterodimeric motors. Our data provide insight into the molecular mechanism underlying the dominant nature of de novo KAND mutations.

  9. CAMSAP2 organizes a γ-tubulin-independent microtubule nucleation centre through phase separation. 国際誌 査読有り

    Tsuyoshi Imasaki, Satoshi Kikkawa, Shinsuke Niwa, Yumiko Saijo-Hamano, Hideki Shigematsu, Kazuhiro Aoyama, Kaoru Mitsuoka, Takahiro Shimizu, Mari Aoki, Ayako Sakamoto, Yuri Tomabechi, Naoki Sakai, Mikako Shirouzu, Shinya Taguchi, Yosuke Yamagishi, Tomiyoshi Setsu, Yoshiaki Sakihama, Eriko Nitta, Masatoshi Takeichi, Ryo Nitta

    eLife 11 2022年6月28日

    DOI: 10.7554/eLife.77365  

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    Microtubules are dynamic polymers consisting of αβ-tubulin heterodimers. The initial polymerization process, called microtubule nucleation, occurs spontaneously via αβ-tubulin. Since a large energy barrier prevents microtubule nucleation in cells, the γ-tubulin ring complex is recruited to the centrosome to overcome the nucleation barrier. However, a considerable number of microtubules can polymerize independently of the centrosome in various cell types. Here, we present evidence that the minus-end-binding calmodulin-regulated spectrin-associated protein 2 (CAMSAP2) serves as a strong nucleator for microtubule formation by significantly reducing the nucleation barrier. CAMSAP2 co-condensates with αβ-tubulin via a phase separation process, producing plenty of nucleation intermediates. Microtubules then radiate from the co-condensates, resulting in aster-like structure formation. CAMSAP2 localizes at the co-condensates and decorates the radiating microtubule lattices to some extent. Taken together, these in vitro findings suggest that CAMSAP2 supports microtubule nucleation and growth by organizing a nucleation centre as well as by stabilizing microtubule intermediates and growing microtubules.

  10. An ALS-associated KIF5A mutant forms oligomers and aggregates and induces neuronal toxicity. 国際誌 査読有り

    Juri Nakano, Kyoko Chiba, Shinsuke Niwa

    Genes to cells : devoted to molecular & cellular mechanisms 27 (6) 421-435 2022年6月

    DOI: 10.1111/gtc.12936  

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    KIF5A is a kinesin superfamily motor protein that transports various cargos in neurons. Mutations in Kif5a cause familial amyotrophic lateral sclerosis (ALS). These ALS mutations are in the intron of Kif5a and induce mis-splicing of KIF5A mRNA, leading to splicing out of exon 27, which in human KIF5A encodes the cargo-binding tail domain of KIF5A. Therefore, it has been suggested that ALS is caused by loss of function of KIF5A. However, the precise mechanisms regarding how mutations in KIF5A cause ALS remain unclear. Here, we show that an ALS-associated mutant of KIF5A, KIF5A(Δexon27), is predisposed to form oligomers and aggregates in cultured mouse cell lines. Interestingly, purified KIF5A(Δexon27) oligomers showed more active movement on microtubules than wild-type KIF5A in vitro. Purified KIF5A(∆exon27) was prone to form aggregates in vitro. Moreover, KIF5A(Δexon27)-expressing Caenorhabditis elegans neurons showed morphological defects. These data collectively suggest that ALS-associated mutations of KIF5A are toxic gain-of-function mutations rather than simple loss-of-function mutations.

  11. Synergistic autoinhibition and activation mechanisms control kinesin-1 motor activity. 国際誌

    Kyoko Chiba, Kassandra M Ori-McKenney, Shinsuke Niwa, Richard J McKenney

    Cell reports 39 (9) 110900-110900 2022年5月31日

    DOI: 10.1016/j.celrep.2022.110900  

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    Kinesin-1 activity is regulated by autoinhibition. Intramolecular interactions within the kinesin heavy chain (KHC) are proposed to be one facet of motor regulation. The KHC also binds to the kinesin light chain (KLC), which has been implicated in both autoinhibition and activation of the motor. We show that the KLC inhibits the kinesin-microtubule interaction independently from the proposed intramolecular interaction within KHC. Cargo-adaptor proteins that bind the KLC stimulated processive movement, but the landing rate of activated kinesin complexes remained low. Mitogen-activated protein 7 (MAP7) enhanced motility by increasing the landing rate and run length of the activated kinesin motors. Our results support a model whereby the motor activity of the kinesin is regulated by synergistic inhibition mechanisms and that cargo-adaptor binding to the KLC releases both mechanisms. However, a non-motor MAP is required for robust microtubule association of the activated motor. Thus, human kinesin is regulated by synergistic autoinhibition and activation mechanisms.

  12. Analyzing the Impact of Gene Mutations on Axonal Transport in Caenorhabditis Elegans. 国際誌

    Yuzu Anazawa, Shinsuke Niwa

    Methods in molecular biology (Clifton, N.J.) 2431 465-479 2022年

    DOI: 10.1007/978-1-0716-1990-2_25  

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    The development and functions of neurons are supported by axonal transport. Axonal transport is a complex process whose regulation involves multiple molecules, such as microtubules, microtubule-associated proteins, kinases, molecular motors, and motor binding proteins. Gain of function and loss of function mutations of genes that encode these proteins often lead to human axonal neuropathy. Caenorhabditis elegans provides a powerful genetic system to study the consequences of gene mutations for axonal transport. Here, we discuss advantages and limitations of using C. elegans, propose standard criteria, and describe methods to analyze the impact of gene mutations on axonal transport in C. elegans. To obtain solid conclusions, it is necessary to image single neurons in vivo labeled by a specific promoter and to confirm that a mutation changes the localization of a cargo. The motility parameters of the transported cargo should then be analyzed in the mutant. This method enables the axonal transport of proteins and organelles, such as synaptic vesicle precursors and mitochondria, to be analyzed.

  13. Effects of dynein inhibitor on the number of motor proteins transporting synaptic cargos. 国際誌

    Kumiko Hayashi, Miki G Miyamoto, Shinsuke Niwa

    Biophysical journal 120 (9) 1605-1614 2021年5月4日

    DOI: 10.1016/j.bpj.2021.02.018  

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    Synaptic cargo transport by kinesin and dynein in hippocampal neurons was investigated by noninvasively measuring the transport force based on nonequilibrium statistical mechanics. Although direct physical measurements such as force measurement using optical tweezers are difficult in an intracellular environment, the noninvasive estimations enabled enumerating force-producing units (FPUs) carrying a cargo comprising the motor proteins generating force. The number of FPUs served as a barometer for stable and long-distance transport by multiple motors, which was then used to quantify the extent of damage to axonal transport by dynarrestin, a dynein inhibitor. We found that dynarrestin decreased the FPU for retrograde transport more than for anterograde transport. This result indicates the applicability of the noninvasive force measurements. In the future, these measurements may be used to quantify damage to axonal transport resulting from neuronal diseases, including Alzheimer's, Parkinson's, and Huntington's diseases.

  14. A highly conserved 310 helix within the kinesin motor domain is critical for kinesin function and human health. 国際誌

    Aileen J Lam, Lu Rao, Yuzu Anazawa, Kyoko Okada, Kyoko Chiba, Mariah Dacy, Shinsuke Niwa, Arne Gennerich, Dan W Nowakowski, Richard J McKenney

    Science advances 7 (18) 2021年4月

    DOI: 10.1126/sciadv.abf1002  

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    KIF1A is a critical cargo transport motor within neurons. More than 100 known mutations result in KIF1A-associated neurological disorder (KAND), a degenerative condition for which there is no cure. A missense mutation, P305L, was identified in children diagnosed with KAND, but the molecular basis for the disease is unknown. We find that this conserved residue is part of an unusual 310 helix immediately adjacent to the family-specific K-loop, which facilitates a high microtubule-association rate. We find that the mutation negatively affects several biophysical parameters of the motor. However, the microtubule-association rate of the motor is most markedly affected, revealing that the presence of an intact K-loop is not sufficient for its function. We hypothesize that the 310 helix facilitates a specific K-loop conformation that is critical for its function. We find that the function of this proline is conserved in kinesin-1, revealing a fundamental principle of the kinesin motor mechanism.

  15. Neural and behavioral control in Caenorhabditis elegans by a yellow-light-activatable caged compound. 国際誌

    Hironori Takahashi, Mako Kamiya, Minoru Kawatani, Keitaro Umezawa, Yoshiaki Ukita, Shinsuke Niwa, Toshiyuki Oda, Yasuteru Urano

    Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 118 (6) 2021年2月9日

    DOI: 10.1073/pnas.2009634118  

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    Caenorhabditis elegans is used as a model system to understand the neural basis of behavior, but application of caged compounds to manipulate and monitor the neural activity is hampered by the innate photophobic response of the nematode to short-wavelength light or by the low temporal resolution of photocontrol. Here, we develop boron dipyrromethene (BODIPY)-derived caged compounds that release bioactive phenol derivatives upon illumination in the yellow wavelength range. We show that activation of the transient receptor potential vanilloid 1 (TRPV1) cation channel by spatially targeted optical uncaging of the TRPV1 agonist N-vanillylnonanamide at 580 nm modulates neural activity. Further, neuronal activation by illumination-induced uncaging enables optical control of the behavior of freely moving C. elegans without inducing a photophobic response and without crosstalk between uncaging and simultaneous fluorescence monitoring of neural activity.

  16. A Combinatorial MAP Code Dictates Polarized Microtubule Transport. 国際誌 査読有り

    Brigette Y Monroy, Tracy C Tan, Janah May Oclaman, Jisoo S Han, Sergi Simó, Shinsuke Niwa, Dan W Nowakowski, Richard J McKenney, Kassandra M Ori-McKenney

    Developmental cell 53 (1) 60-72 2020年4月6日

    DOI: 10.1016/j.devcel.2020.01.029  

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    Many eukaryotic cells distribute their intracellular components asymmetrically through regulated active transport driven by molecular motors along microtubule tracks. While intrinsic and extrinsic regulation of motor activity exists, what governs the overall distribution of activated motor-cargo complexes within cells remains unclear. Here, we utilize in vitro reconstitution of purified motor proteins and non-enzymatic microtubule-associated proteins (MAPs) to demonstrate that MAPs exhibit distinct influences on the motility of the three main classes of transport motors: kinesin-1, kinesin-3, and cytoplasmic dynein. Further, we dissect how combinations of MAPs affect motors and unveil MAP9 as a positive modulator of kinesin-3 motility. From these data, we propose a general "MAP code" that has the capacity to strongly bias directed movement along microtubules and helps elucidate the intricate intracellular sorting observed in highly polarized cells such as neurons.

  17. Disease-associated mutations hyperactivate KIF1A motility and anterograde axonal transport of synaptic vesicle precursors. 国際誌 査読有り

    Kyoko Chiba, Hironori Takahashi, Min Chen, Hiroyuki Obinata, Shogo Arai, Koichi Hashimoto, Toshiyuki Oda, Richard J McKenney, Shinsuke Niwa

    Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 116 (37) 18429-18434 2019年9月10日

    DOI: 10.1073/pnas.1905690116  

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    KIF1A is a kinesin family motor involved in the axonal transport of synaptic vesicle precursors (SVPs) along microtubules (MTs). In humans, more than 10 point mutations in KIF1A are associated with the motor neuron disease hereditary spastic paraplegia (SPG). However, not all of these mutations appear to inhibit the motility of the KIF1A motor, and thus a cogent molecular explanation for how KIF1A mutations lead to neuropathy is not available. In this study, we established in vitro motility assays with purified full-length human KIF1A and found that KIF1A mutations associated with the hereditary SPG lead to hyperactivation of KIF1A motility. Introduction of the corresponding mutations into the Caenorhabditis elegans KIF1A homolog unc-104 revealed abnormal accumulation of SVPs at the tips of axons and increased anterograde axonal transport of SVPs. Our data reveal that hyperactivation of kinesin motor activity, rather than its loss of function, is a cause of motor neuron disease in humans.

  18. A homozygous loss-of-function CAMK2A mutation causes growth delay, frequent seizures and severe intellectual disability. 国際誌 査読有り

    Poh Hui Chia, Franklin Lei Zhong, Shinsuke Niwa, Carine Bonnard, Kagistia Hana Utami, Ruizhu Zeng, Hane Lee, Ascia Eskin, Stanley F Nelson, William H Xie, Samah Al-Tawalbeh, Mohammad El-Khateeb, Mohammad Shboul, Mahmoud A Pouladi, Mohammed Al-Raqad, Bruno Reversade

    eLife 7 2018年5月22日

    DOI: 10.7554/eLife.32451  

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    共筆頭著者の論文です。<br /> マウスなどの実験動物を用いた研究でCAMK2はシナプスの可塑性などに必須の因子であると言われてきました。この論文ではシンガポールA*STARのグループが先天性の成長異常、発作、精神遅滞の原因として見つけたCAMK2A遺伝子(CAMK2の一種)の点変異が神経細胞にどのような異常を引き起こすのかを、私が得意とする線虫を用いた細胞生物学で解析しました。その結果、病気を引き起こすようなCAMK2遺伝子の点変異はCAMK2Aの機能欠損を引き起こし、シナプス形成やシナプスの形態の維持に必須であることがわかりました。

  19. Streptothricin acetyl transferase 2 (Sat2): A dominant selection marker for Caenorhabditis elegans genome editing. 国際誌 査読有り

    Hiroyuki Obinata, Asako Sugimoto, Shinsuke Niwa

    PloS one 13 (5) e0197128 2018年5月

    出版者・発行元:Public Library of Science

    DOI: 10.1371/journal.pone.0197128  

    ISSN:1932-6203

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    Studies on Caenorhabditis elegans would benefit from the introduction of new selectable markers to allow more complex types of experiments to be conducted with this model animal. We established a new antibiotic selection marker for C. elegans transformation based on nourseothricin (NTC) and its resistance-encoding gene, streptothricin-acetyl transferase 2 (Sat2). NTC was able to efficiently prevent worm development at very low concentrations, and the worms expressing Sat2 were able to survive on the selection plates without any developmental defects. Using CRISPR/Cas9 and NTC selection, we were able to easily insert a 13-kb expression cassette into a defined locus in C. elegans. The structure and spectrum of NTC differs from other antibiotics like hygromycin B and geneticin, making it possible to use NTC alongside them. Indeed, we confirmed NTC-sat2 selection could work with the hygromycin B selection system simultaneously. Thus, the new NTC–Sat2 system can act as a useful dominant marker for gene transfer and genome editing in C. elegans.

  20. BORC Regulates the Axonal Transport of Synaptic Vesicle Precursors by Activating ARL-8. 国際誌 査読有り

    Shinsuke Niwa, Li Tao, Sharon Y Lu, Gerald M Liew, Wei Feng, Maxence V Nachury, Kang Shen

    Current biology : CB 27 (17) 2569-2578 2017年9月11日

    出版者・発行元:CELL PRESS

    DOI: 10.1016/j.cub.2017.07.013  

    ISSN:0960-9822

    eISSN:1879-0445

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    Axonal transport of synaptic vesicle precursors (SVPs) is essential for synapse development and function. The conserved ARF-like small GTPase ARL-8 is localized to SVPs and directly activates UNC-104/KIF1A, the axonal-transport kinesin for SVPs in C. elegans. It is not clear how ARL-8 is activated in this process. Here we show that part of the BLOC-1-related complex (BORC), previously shown to regulate lysosomal transport, is required to recruit and activate ARL-8 on SVPs. We found mutations in six BORC subunits-blos-1/BLOS1, blos-2/BLOS2, snpn-1/Snapin, sam-4/Myrlysin, blos-7/Lyspersin, and blos-9/MEF2BNB-cause defects in axonal transport of SVPs, leading to ectopic accumulation of synaptic vesicles in the proximal axon. This phenotype is suppressed by constitutively active arl-8 or unc-104 mutants. Furthermore, SAM-4/Myrlysin, a subunit of BORC, promotes the GDP-to-GTP exchange of ARL-8 in vitro and recruits ARL-8 onto SVPs in vivo. Thus, BORC regulates the axonal transport of synaptic materials and synapse formation by controlling the nucleotide state of ARL-8. Interestingly, the other two subunits of BORC essential for lysosomal transport, kxd-1/KXD1 and blos-8/Diaskedin, are not required for the SVP transport, suggesting distinct subunit requirements for lysosomal and SVP trafficking.

  21. Structural basis for CRMP2-induced axonal microtubule formation. 国際誌 査読有り

    Shinsuke Niwa, Fumio Nakamura, Yuri Tomabechi, Mari Aoki, Hideki Shigematsu, Takashi Matsumoto, Atsushi Yamagata, Shuya Fukai, Nobutaka Hirokawa, Yoshio Goshima, Mikako Shirouzu, Ryo Nitta

    Scientific reports 7 (1) 10681-10681 2017年9月6日

    出版者・発行元:NATURE PUBLISHING GROUP

    DOI: 10.1038/s41598-017-11031-4  

    ISSN:2045-2322

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    Microtubule associated protein Collapsin response mediator protein 2 (CRMP2) regulates neuronal polarity in developing neurons through interactions with tubulins or microtubules. However, how CRMP2 promotes axonal formation by affecting microtubule behavior remains unknown. This study aimed to obtain the structural basis for CRMP2-tubulin/microtubule interaction in the course of axonogenesis. The X-ray structural studies indicated that the main interface to the soluble tubulin-dimer is the last helix H19 of CRMP2 that is distinct from the known C-terminal tail-mediated interaction with assembled microtubules. In vitro structural and functional studies also suggested that the H19-mediated interaction promoted the rapid formation of GTP-state microtubules directly, which is an important feature of the axon. Consistently, the H19 mutants disturbed axon elongation in chick neurons, and failed to authorize the structural features for axonal microtubules in Caenorhabditis elegans. Thus, CRMP2 induces effective axonal microtubule formation through H19-mediated interactions with a soluble tubulin-dimer allowing axonogenesis to proceed.

  22. Autoinhibition of a Neuronal Kinesin UNC-104/KIF1A Regulates the Size and Density of Synapses. 国際誌 査読有り

    Shinsuke Niwa, David M Lipton, Manatsu Morikawa, Charles Zhao, Nobutaka Hirokawa, Hang Lu, Kang Shen

    Cell reports 16 (8) 2129-2141 2016年8月23日

    出版者・発行元:CELL PRESS

    DOI: 10.1016/j.celrep.2016.07.043  

    ISSN:2211-1247

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    Kinesin motor proteins transport intracellular cargoes throughout cells by hydrolyzing ATP and moving along microtubule tracks. Intramolecular autoinhibitory interactions have been shown for several kinesins in vitro; however, the physiological significance of autoinhibition remains poorly understood. Here, we identified four mutations in the stalk region and motor domain of the synaptic vesicle (SV) kinesin UNC-104/KIF1A that specifically disrupt autoinhibition. These mutations augment both microtubule and cargo vesicle binding in vitro. In vivo, these mutations cause excessive activation of UNC-104, leading to decreased synaptic density, smaller synapses, and ectopic localization of SVs in the dendrite. We also show that the SV-bound small GTPase ARL-8 activates UNC-104 by unlocking the autoinhibition. These results demonstrate that the autoinhibitory mechanism is used to regulate the distribution of transport cargoes and is important for synaptogenesis in vivo.

  23. The nephronophthisis-related gene ift-139 is required for ciliogenesis in Caenorhabditis elegans. 国際誌 査読有り

    Shinsuke Niwa

    Scientific reports 6 31544-31544 2016年8月12日

    出版者・発行元:NATURE PUBLISHING GROUP

    DOI: 10.1038/srep31544  

    ISSN:2045-2322

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    Defects in cilia cause a spectrum of diseases known as ciliopathies. Nephronophthisis, a ciliopathy, is the most common genetic cause of renal disease. Here, I cloned and analysed a nephronophthisis-related gene ift-139 in Caenorhabditis elegans. ift-139 was exclusively expressed in ciliated neurons in C. elegans. Genetic and cellular analyses suggest that ift-139 plays a role in retrograde intraflagellar transport and is required for cilia formation. A homologous point mutation that causes ciliopathy disrupted the function of ift-139 in C. elegans. ift-139 is an orthologue of human TTC21B, mutations in which are known to cause nephronophthisis 12 and short-rib thoracic dysplasia 4. These results suggest that ift-139 is evolutionarily conserved and fundamental to the formation of cilia.

  24. The Molecular Motor KIF1A Transports the TrkA Neurotrophin Receptor and Is Essential for Sensory Neuron Survival and Function. 国際誌 査読有り

    Yosuke Tanaka, Shinsuke Niwa, Ming Dong, Atena Farkhondeh, Li Wang, Ruyun Zhou, Nobutaka Hirokawa

    Neuron 90 (6) 1215-1229 2016年6月15日

    出版者・発行元:CELL PRESS

    DOI: 10.1016/j.neuron.2016.05.002  

    ISSN:0896-6273

    eISSN:1097-4199

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    KIF1A is a major axonal transport motor protein, but its functional significance remains elusive. Here we show that KIF1A-haploin sufficient mice developed sensory neuropathy. We found progressive loss of TrkA(+) sensory neurons in Kif1a(+/-) dorsal root ganglia (DRGs). Moreover, axonal transport of TrkA was significantly disrupted in Kif1a(+/-) neurons. Live imaging and immunoprecipitation assays revealed that KIF1A bound to TrkA-containing vesicles through the adaptor GTP-Rab3, suggesting that TrkA is a cargo of the KIF1A motor. Physiological measurements revealed a weaker capsaicin response in Kif1a(+/-) DRG neurons. Moreover, these neurons were hyposensitive to nerve growth factor, which could explain the reduced neuronal survival and the functional deficiency of the pain receptor TRPV1. Because phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) signaling significantly rescued these phenotypes and also increased Kif1a mRNA, we propose that KIF1A is essential for the survival and function of sensory neurons because of the TrkA transport and its synergistic support of the NGF/TrkA/PI3K signaling pathway.

  25. β-Tubulin mutations that cause severe neuropathies disrupt axonal transport 国際誌 査読有り

    Niwa S, Takahashi H, Hirokawa N

    The EMBO Journal 32 (10) 1352-64 2013年5月15日

    出版者・発行元:None

    DOI: 10.1038/emboj.2013.59  

    ISSN:0261-4189

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    近年、微小管の構成成分であるβチュブリンの変異によって引き起こされる神経疾患が報告されていますが、そのくわしい原因はわかっていませんでした。この論文ではβチュブリンの変異のうち、重篤な症状を引き起こす変異が神経細胞で働くKIFsの働きを阻害し、軸索輸送や軸索伸長を妨げることを示しました。<br /> EMBO Journal冒頭でハイライトされました。

  26. A molecular motor, KIF13A, controls anxiety by transporting the serotonin type 1A receptor. 国際誌 査読有り

    Ruyun Zhou, Shinsuke Niwa, Laurent Guillaud, Ying Tong, Nobutaka Hirokawa

    Cell reports 3 (2) 509-19 2013年2月21日

    出版者・発行元:AMER SOC CELL BIOLOGY

    DOI: 10.1016/j.celrep.2013.01.014  

    ISSN:1059-1524

    eISSN:1939-4586

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    Molecular motors are fundamental to neuronal morphogenesis and function. However, the extent to which molecular motors are involved in higher brain functions remains largely unknown. In this study, we show that mice deficient in the kinesin family motor protein KIF13A (Kif13a-/- mice) exhibit elevated anxiety-related behavioral phenotypes, probably because of a reduction in 5HT1A receptor (5HT1AR) transport. The cell-surface expression level of the 5HT1AR was reduced in KIF13A-knockdown neuroblastoma cells and Kif13a-/- hippocampal neurons. Biochemical analysis showed that the forkhead-associated (FHA) domain of KIF13A and an intracellular loop of the 5HT1AR are the interface between the motor and cargo vesicles. A minimotor consisting of the motor and FHA domains is able to transport 5HT1AR-carrying organelles in in vitro reconstitution assays. Collectively, our results suggest a role for this molecular motor in anxiety control.

  27. KIF19A is a microtubule-depolymerizing kinesin for ciliary length control. 国際誌 査読有り

    Shinsuke Niwa, Kazuo Nakajima, Harukata Miki, Yusuke Minato, Doudou Wang, Nobutaka Hirokawa

    Developmental cell 23 (6) 1167-75 2012年12月11日

    出版者・発行元:CELL PRESS

    DOI: 10.1016/j.devcel.2012.10.016  

    ISSN:1534-5807

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    Cilia control homeostasis of the mammalian body by generating fluid flow. It has long been assumed that ciliary length-control mechanisms are essential for proper flow generation, because fluid flow generation is a function of ciliary length. However, the molecular mechanisms of ciliary length control in mammals remain elusive. Here, we suggest that KIF19A, a member of the kinesin superfamily, regulates ciliary length by depolymerizing microtubules at the tips of cilia. Kif19a(-/-) mice displayed hydrocephalus and female infertility phenotypes due to abnormally elongated cilia that cannot generate proper fluid flow. KIF19A localized to cilia tips, and recombinant KIF19A controlled the length of microtubules polymerized from axonemes in vitro. KIF19A had ATP-dependent microtubule-depolymerizing activity mainly at the plus end of microtubules. Our results indicated a molecular mechanism of ciliary length regulation in mammals, which plays an important role in the maintenance of the mammalian body.

  28. Phosphatidylinositol 4-phosphate 5-kinase alpha (PIPKα) regulates neuronal microtubule depolymerase kinesin, KIF2A and suppresses elongation of axon branches 国際誌 査読有り

    Noda Y, Niwa S, Homma N, Fukuda H, Imajo-Ohmi S, Hirokawa N

    Proceedings of the National Academy of Sciences 109 (5) 1725-30 2012年1月31日

    出版者・発行元:None

    DOI: 10.1073/pnas.1107808109  

    ISSN:0027-8424

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    共筆頭著者の論文です。<br /> 脳の神経回路網が正しく形成されるためには、軸索は適切な長さに保たれなくてはいけません。KIF2Aは軸索の先端で微小管を脱重合することで不必要な軸索伸長を抑制します。KIF2Aの働きが弱すぎても強すぎても神経回路網は正しく形成されません。この論文ではKIF2Aの作用がPIPKalphaという分子によって調節されることを示しました。共筆頭著者の論文です。

  29. Molecular motors in neurons: transport mechanisms and roles in brain function, development, and disease. 国際誌 査読有り

    Nobutaka Hirokawa, Shinsuke Niwa, Yosuke Tanaka

    Neuron 68 (4) 610-38 2010年11月18日

    出版者・発行元:CELL PRESS

    DOI: 10.1016/j.neuron.2010.09.039  

    ISSN:0896-6273

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    The kinesin, dynein, and myosin superfamily molecular motors have fundamental roles in neuronal function, plasticity, morphogenesis, and survival by transporting cargos such as synaptic vesicle precursors, neurotransmitter and neurotrophic factor receptors, and mRNAs within axons, dendrites, and synapses. Recent studies have begun to clarify the mechanisms of cargo selection and directional transport in subcellular compartments. Furthermore, molecular genetics has revealed unexpected roles for molecular motors in brain wiring, neuronal survival, neuronal plasticity, higher brain function, and control of central nervous system and peripheral nervous system development. Finally, it is also evident that molecular motors are critically involved in neuronal disease pathogenesis. Thus, molecular motor research is becoming an exciting frontier of neuroscience.

  30. KIF26A is an unconventional kinesin and regulates GDNF-Ret signaling in enteric neuronal development. 国際誌 査読有り

    Ruyun Zhou, Shinsuke Niwa, Noriko Homma, Yosuke Takei, Nobutaka Hirokawa

    Cell 139 (4) 802-13 2009年11月13日

    出版者・発行元:CELL PRESS

    DOI: 10.1016/j.cell.2009.10.023  

    ISSN:0092-8674

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    The kinesin superfamily proteins (KIFs) are motor proteins that transport organelles and protein complexes in a microtubule- and ATP-dependent manner. We identified KIF26A as a new member of the murine KIFs. KIF26A is a rather atypical member as it lacks ATPase activity. Mice with a homozygous deletion of Kif26a developed a megacolon with enteric nerve hyperplasia. Kif26a(-/-) enteric neurons showed hypersensitivity for GDNF-Ret signaling, and we find that KIF26A suppressed GDNF-Ret signaling by direct binding and inhibition of Grb2, an essential component of GDNF/Akt/ERK signaling. We therefore propose that the unconventional kinesin KIF26A plays a key role in enteric nervous system development by repressing a cell growth signaling pathway.

  31. Kinesin superfamily motor proteins and intracellular transport. 国際誌 査読有り

    Nobutaka Hirokawa, Yasuko Noda, Yosuke Tanaka, Shinsuke Niwa

    Nature reviews. Molecular cell biology 10 (10) 682-96 2009年10月

    出版者・発行元:NATURE PUBLISHING GROUP

    DOI: 10.1038/nrm2774  

    ISSN:1471-0072

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    Intracellular transport is fundamental for cellular function, survival and morphogenesis. Kinesin superfamily proteins (also known as KIFs) are important molecular motors that directionally transport various cargos, including membranous organelles, protein complexes and mRNAs. The mechanisms by which different kinesins recognize and bind to specific cargos, as well as how kinesins unload cargo and determine the direction of transport, have now been identified. Furthermore, recent molecular genetic experiments have uncovered important and unexpected roles for kinesins in the regulation of such physiological processes as higher brain function, tumour suppression and developmental patterning. These findings open exciting new areas of kinesin research.

  32. KIF1Bbeta- and KIF1A-mediated axonal transport of presynaptic regulator Rab3 occurs in a GTP-dependent manner through DENN/MADD. 国際誌 査読有り

    Shinsuke Niwa, Yosuke Tanaka, Nobutaka Hirokawa

    Nature cell biology 10 (11) 1269-79 2008年11月

    出版者・発行元:NATURE PUBLISHING GROUP

    DOI: 10.1038/ncb1785  

    ISSN:1465-7392

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    Synaptic proteins are synthesized in the cell body and transported down the axon by microtubule-dependent motors. We previously reported that KIF1B beta and KIF1A motors are essential for transporting synaptic vesicle precursors; however the mechanisms that regulate transport, as well as cargo recognition and control of cargo loading and unloading remain largely unknown. Here, we show that DENN/MADD (Rab3-GEP) is an essential part of the regulation mechanism through direct interaction with the stalk domain of KIF1B beta and KIF1A. We also show that DENN/MADD binds preferentially to GTP-Rab3 and acts as a Rab3 effector. These molecular interactions are fundamental as sequential genetic perturbations revealed that KIF1B beta and KIF1A are essential for the transport of DENN/MADD and Rab3, whereas DENN/ MADD is essential for the transport of Rab3. GTP-Rab3 was more effectively transported than GDP-Rab3, suggesting that the nucleotide state of Rab3 regulates axonal transport of Rab3-carrying vesicles through preferential interaction with DENN/ MADD.

  33. The chromokinesin Kid forms a homodimer and moves processively along microtubules

    Shinsuke Niwa, Natsuki Furusaki, Tomoki Kita, Kyoko Chiba

    2024年3月13日

    DOI: 10.1101/2024.03.13.584902  

  34. SLC-25A46 Regulates Mitochondrial Fusion through FZO-1/Mitofusin and is Essential for Maintaining Neuronal Morphology

    Hiroyuki Obinata, Hironori Takahashi, Satoshi Shimo, Toshiyuki Oda, Asako Sugimoto, Shinsuke Niwa

    2024年2月12日

    DOI: 10.1101/2024.02.11.579862  

  35. Extreme-value analysis of intracellular cargo transport by motor proteins

    Takuma Naoi, Yuki Kagawa, Kimiko Nagino, Shinsuke Niwa, Kumiko Hayashi

    Communications Physics 7 (1) 2024年1月

    DOI: 10.1038/s42005-024-01538-4  

    eISSN:2399-3650

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    The mechanisms underlying the chemo-mechanical coupling of motor proteins is usually described by a set of force-velocity relations that reflect the different mechanisms responsible for the walking behavior of such proteins on microtubules. However, the convexity of such relations remains controversial depending on the species, and in vivo experiments are inaccessible due to the complexity of intracellular environments. As alternative tool to investigate such mechanism, Extreme-value analysis (EVA) can offer insight on the deviations in the data from the median of the probability distributions. Here, we rely on EVA to investigate the motility functions of nanoscale motor proteins in neurons of the living worm Caenorhabditis elegans (C. elegans), namely the motion of kinesin and dynein along microtubules. While the essential difference between the two motors cannot be inferred from the mean velocities, such becomes evident in the EVA plots. Our findings extend the possibility and applicability of EVA for analysing motility data of nanoscale proteins in vivo.

  36. The FHA domain is essential for the autoinhibition of KIF1A/UNC-104

    Shinsuke Niwa, Taisei Watanabe, Kyoko Chiba

    biroxiv 2023年12月24日

    DOI: 10.1101/2023.12.24.573241  

  37. Characterizing Human KIF1Bß Motor Activity by Single-Molecule Motility Assays andCaenorhabtidis elegansGenetics

    Rei Iguchi, Tomoki Kita, Taisei Watanabe, Kyoko Chiba, Shinsuke Niwa

    biroxiv 2023年11月13日

    DOI: 10.1101/2023.11.12.566784  

  38. Synergistic autoinhibition and activation mechanisms control kinesin-1 motor activity. 国際誌

    Kyoko Chiba, Kassandra M Ori-McKenney, Shinsuke Niwa, Richard J McKenney

    Cell reports 39 (13) 111016-111016 2022年6月28日

    DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111016  

  39. Japan-US symposium on cytoskeletal motor proteins and their associated proteins.

    Kumiko Hayashi, Shinsuke Niwa

    Biophysics and physicobiology 18 241-243 2021年

    DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v18.026  

  40. Vital roles of PCNA K165 modification during C. elegans gametogenesis and embryogenesis. 国際誌 査読有り

    Zhenhua Shao, Shinsuke Niwa, Atsushi Higashitani, Yasukazu Daigaku

    DNA repair 82 102688-102688 2019年10月

    DOI: 10.1016/j.dnarep.2019.102688  

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    In eukaryotes, the DNA damage bypass pathway is promoted by ubiquitylation of PCNA at the conserved lysine 164. Using CRISPR-Cas9 system, we introduced amino acid substitution at K165 of C. elegans PCNA that corresponds to K164 in other characterised organisms and examined the contribution of this residue at a variety of stages during development. In the presence of UV-induced DNA lesions, PCNA-K165 is crucial for not only the early embryonic stages but also during larval development, implicating its functions for a broad time period during animal development. We also show that, without induction of DNA damage, concomitant inhibition of PCNA ubiquitylation and checkpoint activation causes abnormal gametogenesis events and severely impairs reproduction of worms. Our findings suggest a conserved function of PCNA ubiquitylation in tolerance of UV-induced damage and also propose that PCNA ubiquitylation contributes to gametogenesis during unperturbed C. elegans development.

  41. Going Too Far Is the Same as Falling Short†: Kinesin-3 Family Members in Hereditary Spastic Paraplegia. 国際誌 招待有り 査読有り

    Gabrych DR, Lau VZ, Niwa S, Silverman MA

    Frontiers in Neuroscience 13 419-419 2019年9月

    DOI: 10.3389/fncel.2019.00419  

  42. Fluorescence-labeled neopeltolide derivatives for subcellular localization imaging. 国際誌 査読有り

    Shota Yanagi, Tomoya Sugai, Takuma Noguchi, Masato Kawakami, Makoto Sasaki, Shinsuke Niwa, Asako Sugimoto, Haruhiko Fuwa

    Organic & biomolecular chemistry 17 (28) 6771-6776 2019年7月17日

    DOI: 10.1039/c9ob01276a  

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    Design, synthesis and functional analysis of fluorescent derivatives of neopeltolide, an antiproliferative marine macrolide, are reported herein. Live cell imaging using the fluorescent derivatives showed rapid cellular uptake and localization within the endoplasmic reticulum as well as the mitochondria.

  43. KIF1Bβ mutations detected in hereditary neuropathy impair IGF1R transport and axon growth. 国際誌 査読有り

    Xu F, Takahashi H, Tanaka Y, Ichinose S, Niwa S, Wicklund MP, Hirokawa N

    The Journal of cell biology 217 (10) 3480-3496 2018年10月1日

    DOI: 10.1083/jcb.201801085  

    ISSN:0021-9525

  44. Non-invasive force measurement reveals the number of active kinesins on a synaptic vesicle precursor in axonal transport regulated by ARL-8. 国際誌 査読有り

    Kumiko Hayashi, Shin Hasegawa, Takashi Sagawa, Sohei Tasaki, Shinsuke Niwa

    Physical chemistry chemical physics : PCCP 20 (5) 3403-3410 2018年1月31日

    出版者・発行元:Royal Society of Chemistry

    DOI: 10.1039/c7cp05890j  

    ISSN:1463-9076

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    Kinesin superfamily protein UNC-104, a member of the kinesin-3 family, transports synaptic vesicle precursors (SVPs). In this study, the number of active UNC-104 molecules hauling a single SVP in axons in the worm Caenorhabditis elegans was counted by applying a newly developed non-invasive force measurement technique. The distribution of the force acting on a SVP transported by UNC-104 was spread out over several clusters, implying the presence of several force-producing units (FPUs). We then compared the number of FPUs in the wild-type worms with that in arl-8 gene-deletion mutant worms. ARL-8 is a SVP-bound arf-like small guanosine triphosphatase, and is known to promote unlocking of the autoinhibition of the motor, which is critical for avoiding unnecessary consumption of adenosine triphosphate when the motor does not bind to a SVP. There were fewer FPUs in the arl-8 mutant worms. This finding indicates that a lack of ARL-8 decreased the number of active UNC-104 motors, which then led to a decrease in the number of motors responsible for SVP transport.

  45. Immobilization of Caenorhabditis elegans to Analyze Intracellular Transport in Neurons. 国際誌 査読有り

    Shinsuke Niwa

    Journal of visualized experiments : JoVE (128) 2017年10月18日

    出版者・発行元:JOURNAL OF VISUALIZED EXPERIMENTS

    DOI: 10.3791/56690  

    ISSN:1940-087X

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    Axonal transport and intraflagellar transport (IFT) are essential for axon and cilia morphogenesis and function. Kinesin superfamily proteins and dynein are molecular motors that regulate anterograde and retrograde transport, respectively. These motors use microtubule networks as rails. Caenorhabditis elegans (C.elegans) is a powerful model organism to study axonal transport and IFT in vivo. Here, I describe a protocol to observe axonal transport and IFT in living C. elegans. Transported cargo can be visualized by tagging cargo proteins using fluorescent proteins such as green fluorescent protein (GFP). C. elegans is transparent and GFP-tagged cargo proteins can be expressed in specific cells under cell-specific promoters. Living worms can be fixed by microbeads on 10% agarose gel without killing or anesthetizing the worms. Under these conditions, cargo movement can be directly observed in the axons and cilia of living C. elegans without dissection. This method can be applied to the observation of any cargo molecule in any cells by modifying the target proteins and/or the cells they are expressed in. Most basic proteins such as molecular motors and adaptor proteins that are involved in axonal transport and IFT are conserved in C. elegans. Compared to other model organisms, mutants can be obtained and maintained more easily in C. elegans. Combining this method with various C. elegans mutants can clarify the molecular mechanisms of axonal transport and IFT.

  46. Characterizing KIF16B in neurons reveals a novel intramolecular "stalk inhibition" mechanism that regulates its capacity to potentiate the selective somatodendritic localization of early endosomes. 国際誌 査読有り

    Atena Farkhondeh, Shinsuke Niwa, Yosuke Takei, Nobutaka Hirokawa

    The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 35 (12) 5067-86 2015年3月25日

    出版者・発行元:SOC NEUROSCIENCE

    DOI: 10.1523/JNEUROSCI.4240-14.2015  

    ISSN:0270-6474

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    An organelle's subcellular localization is closely related to its function. Early endosomes require localization to somatodendritic regions in neurons to enable neuronal morphogenesis, polarized sorting, and signal transduction. However, it is not known how the somatodendritic localization of early endosomes is achieved. Here, we show that the kinesin superfamily protein 16B (KIF16B) is essential for the correct localization of early endosomes in mouse hippocampal neurons. Loss of KIF16B induced the aggregation of early endosomes and perturbed the trafficking and functioning of receptors, including the AMPA and NGF receptors. This defect was rescued by KIF16B, emphasizing the critical functional role of the protein in early endosome and receptor transport. Interestingly, in neurons expressing a KIF16B deletion mutant lacking the second and third coiled-coils of the stalk domain, the early endosomes were mistransported to the axons. Additionally, the binding of the motor domain of KIF16B to microtubules was inhibited by the second and third coiled-coils (inhibitory domain) in an ATP-dependent manner. This suggests that the intramolecular binding we find between the inhibitory domain and motor domain of KIF16B may serve as a switch to control the binding of the motor to microtubules, thereby regulating KIF16B activity. We propose that this novel autoregulatory "stalk inhibition" mechanism underlies the ability of KIF16B to potentiate the selective somatodendritic localization of early endosomes.

  47. Kinesin superfamily proteins and the regulation of microtubule dynamics in morphogenesis.

    Shinsuke Niwa

    Anatomical science international 90 (1) 1-6 2015年1月

    DOI: 10.1007/s12565-014-0259-5  

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    Kinesin superfamily proteins (KIFs) are microtubule-dependent molecular motors that serve as sources of force for intracellular transport and cell division. Recent studies have revealed new roles of KIFs as microtubule stabilizers and depolymerizers, and these activities are fundamental to cellular morphogenesis and mammalian development. KIF2A and KIF19A have microtubule-depolymerizing activities and regulate the neuronal morphology and cilia length, respectively. KIF21A and KIF26A work as microtubule stabilizers that regulate axonal morphology. Morphological defects that are similar to human diseases are observed in mice in which these KIF genes have been deleted. Actually, KIF2A and KIF21A have been identified as causes of human neuronal diseases. In this review, the functions of these atypical KIFs that regulate microtubule dynamics are discussed. Moreover, some interesting unanswered questions and hypothetical answers to them are discussed.

  48. [The role of kinesin superfamily proteins in morphogenesis].

    Niwa S

    Kaibogaku zasshi. Journal of anatomy 2014年9月

  49. Preferential binding of a kinesin-1 motor to GTP-tubulin-rich microtubules underlies polarized vesicle transport. 国際誌 査読有り

    Takao Nakata, Shinsuke Niwa, Yasushi Okada, Franck Perez, Nobutaka Hirokawa

    The Journal of cell biology 194 (2) 245-55 2011年7月25日

    DOI: 10.1083/jcb.201104034  

    ISSN:1540-8140

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    Polarized transport in neurons is fundamental for the formation of neuronal circuitry. A motor domain-containing truncated KIF5 (a kinesin-1) recognizes axonal microtubules, which are enriched in EB1 binding sites, and selectively accumulates at the tips of axons. However, it remains unknown what cue KIF5 recognizes to result in this selective accumulation. We found that axonal microtubules were preferentially stained by the anti-GTP-tubulin antibody hMB11. Super-resolution microscopy combined with EM immunocytochemistry revealed that hMB11 was localized at KIF5 attachment sites. In addition, EB1, which binds preferentially to guanylyl-methylene-diphosphate (GMPCPP) microtubules in vitro, recognized hMB11 binding sites on axonal microtubules. Further, expression of hMB11 antibody in neurons disrupted the selective accumulation of truncated KIF5 in the axon tips. In vitro studies revealed approximately threefold stronger binding of KIF5 motor head to GMPCPP microtubules than to GDP microtubules. Collectively, these data suggest that the abundance of GTP-tubulin in axonal microtubules may underlie selective KIF5 localization and polarized axonal vesicular transport.

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MISC 3

  1. What is the temperature of a cell?

    Kumiko Hayashi, Shin Hasegawa, Shinsuke Niwa

    Europhysics News 51 (5) 48-50 2020年9月1日

    DOI: 10.1051/epn/2020510  

    ISSN:0531-7479

    eISSN:1432-1092

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    © European Physical Society, EDP Sciences, 2020. Equilibrium temperature is classically defined based on thermodynamics using entropy and internal energy: how then can we describe temperature in non-equilibrium living systems such as cells, whose states are not well described by existing thermodynamics?

  2. Physical parameters describing neuronal cargo transport by kinesin UNC-104. 国際誌

    Kumiko Hayashi, Shiori Matsumoto, Miki G Miyamoto, Shinsuke Niwa

    Biophysical reviews 11 (3) 471-482 2019年6月1日

    DOI: 10.1007/s12551-019-00548-9  

    ISSN:1867-2450

    eISSN:1867-2469

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    © 2019, International Union for Pure and Applied Biophysics (IUPAB) and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature. In this review, we focus on the kinesin-3 family molecular motor protein UNC-104 and its regulatory protein ARL-8. UNC-104, originally identified in Caenorhabditis elegans (C. elegans), has a primary role transporting synaptic vesicle precursors (SVPs). Although in vitro single-molecule experiments have been performed to primarily investigate the kinesin motor domain, these have not addressed the in vivo reality of the existence of regulatory proteins, such as ARL-8, that control kinesin attachment to/detachment from cargo vesicles, which is essential to the overall transport efficiency of cargo vesicles. To quantitatively understand the role of the regulatory protein, we review the in vivo physical parameters of UNC-104-mediated SVP transport, including force, velocity, run length and run time, derived from wild-type and arl-8-deletion mutant C. elegans. Our future aim is to facilitate the construction of a consensus physical model to connect SVP transport with pathologies related to deficient synapse construction caused by the deficient UNC-104 regulation. We hope that the physical parameters of SVP transport summarized in this review become a useful guide for the development of such model.

  3. KIF19Aは線毛の長さを制御する微小管脱重合キネシンである 招待有り

    丹羽伸介, 廣川信隆

    ライフサイエンス新着論文レビュー 2012年12月

書籍等出版物 1

  1. ブレインサイエンスレビュー2019

    丹羽伸介

    2019年3月

講演・口頭発表等 24

  1. Activation of KIF1A/UNC-104 motor and its involvement in synaptogenesis and neurological disorders 国際会議 招待有り

    Cytoskeleton in Neuron and Glia 2023年9月28日

  2. Activation of KIF1A/UNC-104 motor and its involvement in neurological disorders 国際会議 招待有り

    丹羽伸介

    第49回内藤コンファレンス 微小管・分子モーター研究の最前線 2023年7月5日

  3. De novo mutations in KIF1A associated neuronal disorder (KAND) dominant negatively inhibit axonal transport of synaptic vesicle precursors 国際会議 招待有り

    丹羽伸介

    kif1a.orgミーティング 2022年3月25日

  4. Analyses of KIF1A-associated neuronal disorder by genetics and single molecule assays 招待有り

    丹羽伸介

    第59回日本生物物理学会大会 2021年11月25日

  5. Disease-associated mutations in human KIF1A overactivate motility of KIF1A and anterograde axonal transport of synaptic vesicle precursors 招待有り

    丹羽伸介

    第42回日本神経科学学会 2019年7月25日

  6. The molecular mechanism of the axonal transport of synaptic vesicles and Diseases 国際会議 招待有り

    丹羽伸介

    Neuroscience Research Colloquia, University of British Columbia 2017年10月20日

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    ブリティッシュコロンビア大学(カナダ)で、分子モータータンパク質の制御機構に関する招待講演を行いました。

  7. 線虫遺伝学を用いた分子モーター研究 招待有り

    丹羽伸介

    第69回日本細胞生物学会大会 2017年6月15日

  8. 線虫遺伝学を用いた軸索輸送研究 招待有り

    丹羽伸介

    第122回日本解剖学会大会 2017年3月28日

  9. 形態形成におけるキネシンスーパーファミリー分子モータータンパク質の役割 招待有り

    丹羽伸介

    第119回日本解剖学会大会 2014年3月28日

  10. PIPKalpha regulates neuronal microtubule depolymerase KIF2A and suppresses the elongation of axon branches

    丹羽伸介

    第117回日本解剖学会 2012年3月

  11. 超解像顕微鏡PALM 招待有り

    丹羽伸介

    日本細胞生物学会 2010年5月

  12. The FHA domain is essential for the autoinhibition of KIF1A 国際会議

    Kyoko Chiba, Shinsuke Niwa

    Cell Bio 2023 2023年12月5日

  13. Elucidation of KIF1A Associated Neurological Disorder(KAND) pathogenesis and the search for therapeutic target using C. elegans nerves 国際会議

    Yuzu Anazawa, Shinsuke Niwa

    CellBio 2023 2023年12月5日

  14. ヘテロダイマーモーターの運動を数学的にモデル化することで明らかにする KIF1A ダイマーの ヘッド間の協調性

    Tomoki Kita, Kazuo Sasaki, Shinsuke Niwa

    日本生物物理学会大会 2023年11月14日

  15. Increased and Decreased axonal transport of synaptic precursors is associated with neurological disorders 国際会議 招待有り

    Tohoku Neurotech Symposium 2023 2023年7月31日

  16. Dynein intermediate chains DYCI-1 and WDR-60 have specific functions in Caenorhabditis elegans

    東田真季, 丹羽伸介

    2023年線虫の未来を作る会 2023年7月14日

  17. KIF1A and KIF1Bbeta form a heterodimer 国際会議

    Kyoko Chiba, Shinsuke Niwa

    内藤コンファレンス 2023年7月5日

  18. Modeling motion of heterodimeric motors uncovers head-to-head coordination in KIF1A dimer 国際会議

    Tomoki Kita, Shinsuke Niwa, Kazuo Sasaki

    内藤コンファレンス 2023年7月5日

  19. De novo mutations in KIF1A-associated neuronal disorder dominant-negatively inhibit motor activity and axonal transport of synaptic vesicle precursors 国際会議

    Yuzu Anazawa, Shinsuke Niwa

    内藤コンファレンス 2023年7月5日

  20. Disease-associated mutations in human KIF1A overactivate motility of KIF1A and anterograde axonal transport of synaptic vesicle precursors

    Chiba K, Takahashi H, Chen M, Obinata H, Arai S, Hashimoto K, Oda T, McKenney RJ, Niwa S

    分子生物学会大会 2019年12月5日

  21. The regulation of axonal transport and motor neuron disease 招待有り

    丹羽伸介

    北京大学生物科学セミナー 2019年4月22日

  22. The regulation of axonal transport and motor neuron disease 招待有り

    丹羽伸介

    清華大学セミナー 2019年4月19日

  23. The regulation of axonal transport and neuropathy 招待有り

    丹羽伸介

    カリフォルニア大学デイビス校セミナー 2019年1月16日

  24. A microtubule-depolymerizing kinesin, KIF19A, regulates the length of cilia

    丹羽伸介

    第65回日本細胞生物学会 2013年6月

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共同研究・競争的資金等の研究課題 20

  1. シナプス小胞の逆行性軸索輸送機構の統合的解析

    丹羽 伸介

    2023年4月1日 ~ 2026年3月31日

  2. 軸索輸送モーターKIF5Aによる長距離輸送機構と疾患のクロススケール解析

    丹羽 伸介

    2022年6月16日 ~ 2024年3月31日

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    KIF5Aはキネシンスーパーファミリーのモータータンパク質で、神経細胞内でミトコンドリア、リソソーム、RNA複合体といったさまざまな荷物を軸索輸送している。KIF5Aの変異は、家族性および弧発性の筋萎縮性側索硬化症(ALS)を引き起こすことが知られている。複数のALS変異が見つかっているが、これらALS変異のほとんどはKIF5Aのイントロンにあり、KIF5A mRNAのミススプライシングを誘発する。その結果、ヒトKIF5AではKIF5Aの貨物結合尾部ドメインをコードするエクソン27をスプライシングアウトすることに繋がる。そのため、ALSはKIF5Aの機能喪失によって引き起こされると考えられてきた。私たちの本年度に実施した研究の結果、ALS型KIF5Aは神経細胞内で凝集を引き起こすことがわかった。不思議なことに精製したALS型KIF5Aは、野生型KIF5Aよりも微小管上を活発に運動することがわかった。精製したALS型KIF5Aは試験管内の実験で凝集体を形成しやすかった。さらに、ALS型KIF5Aを発現させた線虫の神経細胞では、軸索の細断、軸索の迷走、神経細胞そのものの変性と言った形態的な異常が見られた。これらのデータから、ALSに関連するKIF5Aの変異は、単純な機能喪失型変異ではなく、毒性のある機能獲得型変異であることが示唆された。 また、計画班に協力し、微小管がCAMSAP2と呼ばれるタンパク質から重合する様子を観察することに成功した。さらにKLP-12とよばれる微小管の重合を止めるユニークなモーターがその活性を発揮するメカニズムを明らかにした。

  3. 分子モーターKIF1Aの疾患変異を手がかりとした軸索輸送メカニズムの解明

    丹羽 伸介

    提供機関:Japan Society for the Promotion of Science

    制度名:Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    研究種目:Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    研究機関:Tohoku University

    2020年4月1日 ~ 2023年3月31日

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    分子モータータンパク質KIF1Aはシナプス形成に必須の因子である。KIF1Aの遺伝子変異は先天性の神経疾患の原因となっている。遺伝子変異によってどのような異常が起こるのかを明らかにするために、神経科学のモデルとして広く用いられているモデル生物である線虫を用いたCRISPR/cas9によるゲノム編集とトランスジェニックおよび精製したKIF1Aを用いた1分子アッセイによって解析を行った。 疾患の原因となる変異の一つであるKIF1A(P305L)変異を持つ患者では精神遅滞と下肢の麻痺といった症状が見られる。P305L変異がloss of function型変異であるのか、gain of function型変異であるのかを区別するために、線虫のunc-104変異体(KIF1Aオルソログを欠損している変異体)を用いたレスキュー実験を行った。その結果、KIF1A(P305L)を発現した場合はKIF1A(野生型)を発現した場合と異なり、線虫をレスキューできないことがわかった。これはKIF1A(P305L)がloss of functionであることを示唆する。ゲノム編集によってunc-104遺伝子にP305L変異を導入したところ、線虫の運動に異常が見られたこともloss of function型変異であることを示唆している。 TIRFを用いた一文しか移籍実験では、P305Lを導入したKIF1Aは微小管への結合能が低下しているが、一度結合すれば微小管上で正常に近い運動脳を持つことがわかった。 以上のことから、P305はKIF1Aが微小管に結合するのに重要な機能を持つ部位であることがわかった。

  4. クラミドモナスのゲノム編集の活用による細胞質ダイニン2の繊毛内輸送の再構成

    丹羽 伸介, 小田 賢幸

    提供機関:Japan Society for the Promotion of Science

    制度名:Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

    研究種目:Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

    研究機関:Tohoku University

    2020年7月30日 ~ 2022年3月31日

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    繊毛内のタンパク複合体輸送を担うダイニン2の運動のin vitro再構成は非常に困難であることがわかっている。これはダイニン2自体が非常に巨大な複合体であるだけでなく、ダイニン2が輸送するIFT複合体もまた多くのサブユニットから構成される巨大な複合体だからである。 (1)クラミドモナスのnull変異体に蛍光タンパク質、および、精製のためのタグを導入したダイニン2サブユニットを発現した。ダイニン2サブユニット変異体では繊毛が欠損する。タグ付きダイニンによってnull変異体がレスキューし、正常な繊毛が形成されることを確認し、この株を大量培養してダイニン2の精製を試みた。その結果、重鎖、中間鎖などのサブユニットを全て含むダイニン2を精製することに成功した。全反射蛍光顕微鏡法(TIRF)を用いて運動を観察すると、微小管には結合するもののほとんど方向性を持った運動をしないことがわかった。これは「結合タンパク質無しでは不活性状態を維持される」という他の分子モータータンパク質と同じ性質である。 (2)次にダイニン2のカーゴであるIFT複合体についても同様のアプローチでクラミドモナスから精製した。IFT複合体の変異体では繊毛が欠損する。蛍光タンパク質および精製のためのタグを導入した株を作製してレスキューした結果、繊毛の伸長がみられた。このレスキュー株から精製のためのタグを用いてタンパク質精製を行うと、非常に低濃度ではあるが、IFT複合体を精製することができた。

  5. シナプスのスクラップ&ビルドを抑制する新規ARL8サプレッサー遺伝子群の同定 競争的資金

    丹羽 伸介

    提供機関:Japan Society for the Promotion of Science

    制度名:Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

    研究種目:Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

    研究機関:Tohoku University

    2019年4月1日 ~ 2021年3月31日

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    (1)モデルとして用いている線虫と哺乳類とでは軸索輸送におけるARL-8(哺乳類ではARL8AおよびARL8B)の役割が異なるのではないかという説がある。これを検証するために哺乳類のARL8AとARL8Bをそれぞれ線虫に発現することでシナプス小胞の軸索輸送が回復するかどうかを解析した。その結果、ARL8AもARL8Bも線虫のarl-8の表現型をレスキューすることができた。すなわち、線虫のarl-8変異体ではシナプス小胞が軸索の途中に滞留するのが、哺乳類ARL8A、ARL8Bの発現により回復した。また、哺乳類ARL8A、ARL8Bは両方とも線虫の神経細胞でシナプス小胞に局在していた。ARL-8がリソソーム依存性でシナプス形成に影響するのかどうかを調べるために、リソソームの局在を観察するためのトランスジェニック線虫を作製した。その結果、本研究でモデルとして用いているDA9神経細胞ではリソソームは細胞体および細胞体近傍の軸索、樹状突起のみに限局しており、軸索内には輸送されていないことがわかった。 (2)前年度までに同定したarl-8のサプレッサーとして同定したjip-1(哺乳類のJIP1あるいはMAPK8IP1のオルソログ)の軸索輸送における機能を解析した。jip-1はシナプス小胞の軸索輸送異常をarl-8に限って回復するのか、もしくは、一般的に回復するのかを調べるために分子モータータンパク質であるunc-104変異体とjip-1の2重変異体を作って解析した。その結果、jip-1はunc-104における軸索輸送をも回復することがわかった。また、jip-1変異体線虫において軸索輸送をタイムラプス観察すると、軸索輸送が増加していることがわかった。このことはjip-1自体がシナプス小胞やシナプスの材料の軸索輸送を増加する働きを持つことを示唆した。

  6. シナプス小胞の軸索輸送の分子カスケードの解明 競争的資金

    丹羽 伸介

    提供機関:Japan Society for the Promotion of Science

    制度名:Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (A)

    研究種目:Grant-in-Aid for Young Scientists (A)

    研究機関:Tohoku University

    2017年4月1日 ~ 2021年3月31日

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    ARL-8は軸索輸送キネシンUNC-104の自己阻害を解除し、シナプス小胞の軸索輸送を活性化するsmall GTPaseである。small GTPaseは一般的にGDP型で膜から外れ、GTP型で膜に結合をする。この性質を利用してゴルジ体の膜状に局在しているARL-8::YFPが膜から外れる変異体を作製し、その原因遺伝子を全ゲノムシークエンスとマッピングにより解析した。これまでに得られていたBLOC-1関連複合体(BORC)の変異体に加えて、今年度は新たにUNC-16と呼ばれる分子の変異体においてARL-8::YFPがゴルジ体の膜状から外れることを発見した。UNC-16はUNC-116キネシン(キネシン1と呼ばれている)を輸送小胞上に結合するためのリンカーであると言われている。 これまでに作成したBORC変異体の中でkxd-1やblos-7ではシナプス小胞の軸索輸送に異常は見られていない。とくにblos-7変異体はin frameのdeletion mutantであるため、機能的なdeletion型タンパク質が発現している可能性が残されていた。この可能性を排除するためにblos-7にearly stop codonを導入した別アリールを作成し、blos-7は確かにシナプス小胞の軸索輸送に必須ではないことを示した。 またこれまでに遺伝学によって同定したBORC、small GTPase ARL-8、軸索輸送モーターKIF1Aを精製して混ぜることで軸索輸送の分子カスケードをin vitroで再構成する実験にも着手した。

  7. 生物ナビゲーションのシステム同定と革新的ロギングデバイスの開発

    橋本 浩一, 中井 淳一, 丹羽 伸介, 鏡 慎吾, 荒井 翔悟, 山口 明彦

    提供機関:Japan Society for the Promotion of Science

    制度名:Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

    研究種目:Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

    研究機関:Tohoku University

    2016年6月30日 ~ 2021年3月31日

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    本研究は、ナビゲーションをシステム科学的手法により体系的に研究することを目的とする。ヒトや動物のさまざまなナビゲーションを数理モデルとして理解・解明し、将来的な予測や制御を目指す。ナビゲーションをナビ計測、ナビ分析、ナビ理解、ナビ検証のステップに分類し、ナビ計測のためのログボットの開発とナビ理解のためのシステム同定手法の開発を行う。 ログボットはGPS、カメラ、マイク、気圧計、加速度計などを搭載するオンボードコンピュータ搭載のロガーデバイスである。H30年度はログボットの改良を行い、イベント駆動機能の強化を実施した。搭載デバイス(主に加速度計)データをオンボード処理し、採餌行動を検出し、ビデオカメラを起動する試験において、高い確率で採餌が確認された。耐久性の改善を行い、屋外での利便性を高めた。 野外動物への装着を継続的に実施した。イベント駆動機能高度化のため、防水機能やより高度なプロセッサの搭載に向けて設計を行った。とくに、B01生態班、A02データ科学班と共同して、ログボットをオオミズナギドリに装着し、データ取得を試みた。 B02神経活動班との共同により、ロボット顕微鏡を用いて線虫の行動計測を行うとともに、行動解析結果に基づいて光による神経刺激を行うシステムを開発し、行動中の脳活動計測を実施した。さらに、A02データ科学班と共同し、複数種類の動物の行動から軌跡に異常を持つ個体群の分類を実施した。 言語解析手法を利用した移動軌跡の分析技術を開発し、ウミドリデータを解析した。また、3次元点群に基づく行動予測モデルの開発、位置姿勢推定手法の開発、対象追跡とプロジェクションマッピング手法の開発、群集行動解析モデルの開発などを実施した。 2光子顕微鏡イメージング、カルシウムイメージング、線虫ゲノム編集、遺伝子と成長遅延など、生命科学分野における重要な研究成果を得た。

  8. 軸索輸送キネシンKIF5Aの変異による ALS発症機構の解明 競争的資金

    丹羽伸介

    2020年3月 ~ 2021年3月

  9. キリンのキネシンは速いのか? ~軸索輸送の速度進化の検証~ 競争的資金

    丹羽 伸介

    提供機関:Japan Society for the Promotion of Science

    制度名:Grants-in-Aid for Scientific Research Challenging Research (Exploratory)

    研究種目:Challenging Research (Exploratory)

    研究機関:Tohoku University

    2017年6月30日 ~ 2020年3月31日

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    合成したキリンKIF1Aのモータードメイン(1-393アミノ酸)をmScarletに融合したリコンビナントタンパク質を大腸菌で発現し、可溶化画分から精製することに成功した。過去の多くの研究でマウスやラットのKIF1Aのモータードメインはダイマーを形成しないと考えられてきた。全反射蛍光顕微鏡を用いた1分子観察を行うと、モノマーの場合はバイアスのかかったブラウン運動をする一方で、他のタンパク質由来のcoiled-coilドメインを結合するとダイマーになり、processiveな動きが観察される(Okada et al., Science, 1999; Tomishige et al., Science, 2002)。しかしならがら、意外なことに、キリンのKIF1A(1-393)は外来性のcoiled-coilを付加しなくてもprocessiveなダイマー型の動きをすることがわかった。このことはキリンKIF1Aは2量体であることを示唆した。coiled-coilドメインを付加することでダイマーにしているマウスやラットのKIF1Aと今回の実験で使っているcoiled-coilドメインを付加していないキリンKIF1Aとではコンストラクトが異なるため、速度を直ちに比較することは難しいという問題に直面した。そのため、現在はラットKIF1Aで同じリコンビナントタンパク質を作製する、あるいはキリンのKIF1Aに外来タンパク質のcoiled-coilを付加するといった実験を行っている。 線虫ホモログであるunc-104の欠損変異体はシナプス小胞が軸索輸送されないため線虫が運動できなくなる。この線虫unc-104変異体にキリンのKIF1Aを発現することでレスキューすることに成功した。

  10. キネシンは、なぜ40種以上もあるのか?

    岡田 康志, 木村 暁, 池田 一穂, 丹羽 伸介, 神原 丈敏

    提供機関:Japan Society for the Promotion of Science

    制度名:Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    研究種目:Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    研究機関:The University of Tokyo

    2016年4月1日 ~ 2019年3月31日

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    本研究では、キネシン頭部の運動活性の in vitro 計測とマウス培養神経細胞および線虫 C. elegans を用いた in vivo 計測を組み合わせることで、「1つの細胞内に多種類のキネシンが発現する必要があるのは何故か?」という問いにアプローチする。 まず、キネシンの in vivo での運動特性を定量的に計測・解析するための方法論として、非平衡統計物理学の揺らぎの定理を用いた計測法を開発し、これを神経細胞に応用し、細胞内でのキネシンの力学測定が実現された。 また、レーザー走査型共焦点顕微鏡の光学系を利用した多点相関FCS法を開発し、キネシン分子の2量体化でホモ2量体が選択的に形成されるのか、またキネシン全長分子を用いて、小胞に結合して輸送している(されている)状態と細胞質中を自由拡散する状態の定量化に成功した。 これらの技術を用いて、kinesin-1とkinesin-3のキメラ分子について、in vitroおよび培養細胞においては、分子モーターとしての単体の運動活性およびカーゴとの結合・解離・輸送については、それぞれ頭部モータードメインおよび尾部ドメインの性質を反映した予想通りの挙動を示すことが確認された。しかし、線虫個体レベルでは致死となり、キメラ分子は、線虫個体レベルでは機能しないことが示された。この結果から、本研究計画の作業仮説である「頭部モータードメインと尾部ドメインが共進化している」が強く支持された。 さらに、kinesin-1の中で、進化的に離れた異種動物の間でのアミノ酸配列比較と、それに基づく点変異導入を系統的に行い、運動の力学特性の異なるkinesin-1の構築に成功し、これを培養神経細胞に導入すると軸索輸送の速度が変化することが確認された。

  11. 遺伝性神経疾患における軸索輸送キネシンKIF1Aの制御メカニズムの破綻 競争的資金

    丹羽 伸介

    提供機関:Japan Society for the Promotion of Science

    制度名:Grants-in-Aid for Scientific Research Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research)

    研究種目:Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research)

    研究機関:Tohoku University

    2017年 ~ 2019年

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    KIF1Aは軸索輸送を担うモータータンパク質である。バキュロウイルスを用いることでヒトKIF1A全長に赤色蛍光タンパク質であるmScarletを融合したリコンビナントタンパク質を昆虫細胞sf9に発現し、精製することに成功した。精製したKIF1A::mScarletを用いて全反射蛍光顕微鏡を用いた1分子アッセイを行った。その結果、全長KIF1Aはprocessiveに微小管上を動くことがわかった。次に神経疾患を引き起こすKIF1A遺伝子の点変異を導入したKIF1A::mScarletを用いることで同じアッセイを行った。その結果、3つの変異体で微小管への結合が上昇することがわかった。さらに二つの変異体については速度が上昇していた。これらのデータは疾患変異がKIF1Aの活性を亢進していることを示唆している。 線虫ではUNC-104とよばれるキネシンがKIF1Aのホモログとなる。ヒトに疾患を引き起こすようなアミノ酸部位は線虫でも保存されている。そこでゲノム編集を用いることで疾患原因となる点変異を導入した疾患モデル線虫を作製した。この線虫の表現型を解析したところ、ダイニンのloss of function型変異体と同様にシナプス小胞が軸索末端に集積することがわかった。シナプス小胞前駆体の軸索輸送をタイムラプス顕微鏡法で解析したところ、軸索輸送の量が増加していた。 異常のことから、神経疾患を引き起こす点変異は軸索輸送モーターKIF1Aの活性を亢進し、軸索輸送を活発にすることが明らかとなった。現在、論文を投稿準備中である。

  12. 軸索輸送病モデル線虫を用いた治療標的分子の探索 競争的資金

    丹羽伸介

    2019年 ~

  13. 非平衡確率過程模型の恒等式群と医療・美容

    林 久美子, 丹羽 伸介, 池田 一穂, 岡田 康志

    提供機関:Japan Society for the Promotion of Science

    制度名:Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    研究種目:Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    研究機関:Tohoku University

    2014年7月18日 ~ 2018年3月31日

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    分子モーターキネシンやダイニンによるオルガネラ輸送は医療や美容と関連が深い。例えばアルツハイマー病などの神経疾患では軸索輸送障害が問題となるし日焼けの原因となるメラニン色素の顆粒輸送もキネシンやダイニンが担う。非平衡統計力学は輸送を扱う学問であるが、非平衡統計力学の恒等式をこのような輸送に応用した。これらの輸送は非平衡確率過程とみなせるからである。具体的にはシナプス小胞前駆体輸送とメラニン色素顆粒輸送を調べた。前者では恒等式の利用でシナプス形成位置に異常がでる変異体において物理的要因を突き止めた。後者ではダイニン阻害剤シリオブレビンの効果を輸送に関連する力や分子モーターの数から評価した。

  14. 分子遺伝学を用いたシナプス小胞の軸索輸送開始点における分子カスケードの解明 競争的資金

    丹羽伸介

    2016年 ~ 2018年

  15. 神経細胞におけるオルガネラ局在機構 競争的資金

    丹羽 伸介

    提供機関:Japan Society for the Promotion of Science

    制度名:Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Research Activity start-up

    研究種目:Grant-in-Aid for Research Activity start-up

    研究機関:Tohoku University

    2015年8月28日 ~ 2017年3月31日

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    本研究では、神経細胞におけるオルガネラの局在機構の解明を目指して研究を開始した。現在までに以下のような成果を得ることができた。(1)感覚神経の繊毛内の物質輸送(Intraflagellar transport, IFT)に必須の遺伝子ift-139およびその変異体を同定し、ift-139が逆行性のIFTに関与していることを明らかにした。(Niwa, Scientific Reports, 2016) (2)シナプス輸送の軸索輸送におけるモータータンパク質UNC-104の自己阻害機構を明らかにした(Niwa et al., Cell Reports, 2016)

  16. 軸索輸送の開始に関与する新規分子群の同定とその機能解析 競争的資金

    丹羽伸介

    2016年 ~

  17. 感覚神経細胞の形づくり 競争的資金

    丹羽伸介

    2015年 ~

  18. None 競争的資金

    丹羽伸介

    2012年 ~ 2014年

  19. None 競争的資金

    丹羽伸介

    2012年 ~

  20. None 競争的資金

    丹羽伸介

    2012年 ~

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