研究概要

電子顕微鏡を用いて生体分子、生体構分子複合体および細胞内の構造を解析し、その構造と機能の関係を研究しています。また、電子顕微鏡法および画像解析技術の研究も行っています。

ハイライト:

 

ノロウイルスなどを含むカリシウイルスファミリーにおいて属を越えた構造の多様性があることを、クライオ電子顕微鏡を用いて発見した。
Conley M, Emmott E, Orton R, Taylor D, Carneiro DG, Murata K, Goodfellow IG, Hansman GS, & Bhella D (2017) Vesivirus 2117 capsids more closely resemble sapovirus and lagovirus particles than other known vesivirus structures. J Gen Virol 98: 68–76.

マウス海馬苔状繊維シナプスの形態形成においてアファディン分子が重要な役割を果たしていることを連続ブロック表面走査型電子顕微鏡解析で明らかにした。
Sai K, Wang S, Kaito A, Fujiwara T, Maruo T, Itoh Y, Miyata M, Sakakibara S, Miyazaki N, Murata K, Yamaguchi Y, Haruta T, Nishioka H, Motojima Y, Komura M, Kimura K, Mandai K, Takai Y, & Mizoguchi A (2017) Multiple roles of afadin in the ultrastructural morphogenesis of mouse hippocampal mossy fiber synapses. J Comp Neurol 525: 2719–2734.

水生単細胞生物ミドリゾウリムシにおいて、共生クロレラが宿主のミドリゾウリムシとの間に形成するPV膜が、宿主のミトコンドリアと直接またはクサビのような構造を介して固く相互作用していることを、超高圧電子顕微鏡トモグラフィーにより明らかにした。
Song C, Murata K, & Suzaki T (2017) Intracellular symbiosis of algae with possible involvement of mitochondrial dynamics. Sci Rep 7: 1221.

シアノファージP-SSP7が宿主のシアノバクテリアに吸着・感染する瞬間を、クライオ電子顕微鏡トモグラフィーで解析した。
Murata K, Zhang Q, Gerardo Galaz-Montoya J, Fu C, Coleman ML, Osburne MS, Schmid MF, Sullivan MB, Chisholm SW, & Chiu W Visualizing Adsorption of Cyanophage P-SSP7 onto Marine Prochlorococcus. Sci Rep 7: 44176.

ヒドロゲル微粒子は薬剤を体内の目的の場所に運搬するドラッグデリバリー担体などへの応用が期待される。ヒドロゲル微粒子の実際に水和した構造をクライオ電子顕微で観察した。
Watanabe T, Kobayashi C, Song C, Murata K, Kureha T, Suzuki D (2016) Impact of Spatial Distribution of Charged Groups in Core Poly( N isopropylacrylamide)-Based Microgels on the Resultant Composite Structures Prepared by Seeded Emulsion Polymerization of Styrene.Langmuir 32:12760–12773.

シアノバクテリアが細胞分裂する際、染色体に似た構造を作ることを発見し、この構造体を、低温超高圧電子顕微鏡で明らかにした。
Murata K, Hagiwara S, Kimori Y, & Kaneko Y (2016) Ultrastructure of compacted DNA in cyanobacteria by high-voltage cryo-electron tomography.Sci Rep, 6: 34934.

これまで不明であったマウスノロウイルスの感染受容体が、細胞の表面にあるタンパク質CD300lf, CD300ldであることを発見し、感染受容体の結合位置をクライオ電子顕微鏡により解明した。
Haga K, Fujimoto A, Takai-Todaka R , Miki M, Doan YH, Murakami K, Yokoyama M, Murata K, Nakanishi A, & Katayama K. (2016) Functional receptor molecules CD300lf and CD300ld within the CD300 family enable murine noroviruses to infect cells. Proc Natl Acad Sci USA 113(41), E6248–E6255.

トチ様ウイルス、オモトリバーウイルス(OmRV)の構造を、クライオ電子顕微鏡で構造解析した。その結果、外界から宿主細胞内に侵入するのに必要と考えられていた長い突起構造は必要ではなく、ウイルス粒子表面の隆起した構造が直接これに関わっていることが示唆された。
Okamoto K, Miyazaki N, Larsson DS, Kobayashi D, Svenda M, Mühlig K, Maia FR, Gunn LH, Isawa H, Kobayashi M, Sawabe K, Murata K, & Hajdu J. (2016) The infectious particle of insectborne totivirus-like Omono River virus has raised ridges and lacks fibre complexes. Sci Rep, 6: 33170.

細胞分裂の方向を決める新たな仕組みをホヤの卵で発見した。 SBF-SEM観察の結果、隣の細胞から伸びてきた構造体がこれを決めることがわかった。
Negishi T, Miyazaki N, Murata K, Yasuo H, & Ueno N. (2016) Physical association between a novel plasma-membrane structure and centrosome orients cell division. Elife, 5, e16550.

水深1,200 mの海底泥土から発見されたらせん型微生物の超微形態を、超高圧電子顕微鏡で三次元解析した。そのストラクトーム解析から、深海微生物に特徴的と思われる性状が明らかとなった。
Yamaguchi M, Yamada H, Higuchi K, Yamamoto Y, Arai S, Murata K, Mori Y, Furukawa H, Uddin MS & Chibana H (2016) High-voltage electron microscopy tomography and structome analysis of unique spiral bacteria from the deep sea. Microscopy 65, 363-369.

腎臓の糸球体にある足細胞の連続スライス像をSBF-SEMを用いて立体再構築し、その詳細な形成過程を解明した。
Ichimura K, Kakuta S, Kawasaki Y, Miyaki T, Nonami T, Miyazaki N, Nakao T, Enomoto S, Arai S, Koike M, Murata K, & Sakai T. (2017) Morphological process of podocyte development revealed by block- face scanning electron microscopy. J Cell Sci 130, 132–142.

メタクリル酸を共重合したpolyゲル微粒子をシードとしスチレンの乳化重合を行い、クライオ電子顕微鏡でこの構造を水和した状態のまま観察することに成功した。その結果、ポリスチレン微粒子はシードゲル微粒子の表面に間隔をかけて複合化している事が分かった。
Kobayashi C, Watanabe T, Murata K, Kureha T, & Suzuki D. (2016). Localization of Polystyrene Particles on the Surface of Poly(N-isopropylacrylamide-co-methacrylic acid) Microgels Prepared by Seeded Emulsion Polymerization of Styrene. Langmuir, 32(6): 1429-1439.

線虫の細胞に無脊椎動物がもつイネキシンを発現、精製しクライオ電子顕微鏡を用いて構造解析した結果、分解能約10 Åの三次元像を得ることに成功した。これによりイネキシンの構造の詳細が明らかになった。
Oshima A, Matsuzawa T, Murata K, Tani K, & Fujiyoshi Y. (2016). Hexadecameric structure of an invertebrate gap junction channel. J Mol Biol, 428(6): 1227-1236.

人の赤血球に寄生したヒトマラリア原虫の構造変化をSBF-SEMを用いて解析した結果、マラリア原虫は外部との間に特別な構造を作らず、赤血球の細胞質を通して外界との物質交換を行っている事が分かった。
Sakaguchi M, Miyazaki N, Fujioka H, Kaneko O, & Murata K.(2016). Three-dimensional analysis of morphological changes in the malaria parasite infected red blood cell by serial block-face scanning electron microscopy. J Struct Biol, 193(3): 162–171.

SBF-SEMを用いて、小型甲殻類タナイスの脚の内部構造を立体的に解析した結果、出糸腺が胴体の中に二種類存在すること、そしてそれらの分泌物を混合する仕組みが脚先端に備わっていることが分かった。これにより進化過程で新しい形態が出現するメカニズムについて明らかにできるものと期待される。
Kaji T, Kakui K, Miyazaki N, Murata K, & A R Palmer (2016). Mesoscale morphology at nanoscale resolution: serial block-face scanning electron microscopy reveals fine 3D detail of a novel silk spinneret system in a tube-building tanaid crustacean. Front Zool, 13:14.

植物における細胞分裂前の微小管(MT)とマイクロフィラメント(MF)の様子を、電子顕微鏡を使って調べたところ、分裂準備帯(PPB) の形成過程でMFがMTを架橋してMTを束ねる助けをすることが分かった。本成果により植物の細胞分裂のメカニズムの一端が明らかになった。
Takeuchi M, Karahara I, Kajimura N, Takaoka A, Murata K, Misaki K, Yonemura S, Staehelin LA & Mineyuki Y. (2016). Single microfilaments mediate the early steps of microtubule bundling during preprophase band formation in onion cotyledon epidermal cells. Mol Biol Cell, 27(11): 1809-1820.

クライオ電子顕微鏡の観察で、サポウイルスは外殻と内殻の間に少し隙間があり、外殻に加えて内殻にも多くの抗体の結合部位を持つ事を発見し、世界初のサポウイルスの殻の構造を明らかにした。
Miyazaki N, Taylor D W, Hansman G S, & Murata K. (2015). Antigenic and cryo-electron microscopy structure analysis of a chimeric sapovirus capsid. J Virol, 90(5): 2664-2675.

     

SBF-SEM観察で用いられるOTOブロック染法と免疫組織化学法を組み合わせるにより、神経ネットワークのシナプス結合解析を効率的に超高圧電子顕微鏡トモグラフィーにより行える手法を開発した。
Satoh K, Takanami K, Murata K, Kawata M, Sakamoto T, & Sakamoto H. (2015). Effective synaptome analysis of itch-mediating neurons in the spinal cord : A novel immunohistochemical methodology using high-voltage electron microscopy. Neurosci Let 599 : 86–91.

SBF-SEMにより、酵母cdc48p変異体に起こるミトコンドリアの形態異常の様子を解析した。cdc48pのATPase活性を欠失した変異体では、ミトコンドリアの断片化と凝集を引き起こすことがわかった。
Miyazaki N, Esaki M, Ogura T, & Murata K. (2014). Serial block-face scanning electron microscopy for three-dimensional analysis of morphological changes in mitochondria regulated by Cdc48p/p97 ATPase. J Struct Biol, 187: 187-93.

超高圧STEMトモグラフィーにより、試料厚さが5μmの切片から出芽酵母丸ごとの立体再構築を行った。その結果、酵母内の核、液胞、ミトコンドリアなどの主なオルガネラの三次元構造と局在を示すことができた。
Murata K, Esaki M, Ogura T, Arai S, Yamamoto Y, & Tanaka N. (2014). Whole-Cell Imaging of the Budding Yeast Saccharomyces cerevisiae by High-Voltage Scanning Transmission Electron Tomography. Ultramicroscopy, 146: 39-45.

20Sプロテアソーム自己組織化因子のホモログが古細菌では活性化因子として機能する。その機構を電子顕微鏡トモグラフィー単粒子解析法により構造学的に解明した。
Kumoi K, Satoh T, Murata K, Hiromoto T, Mizushima T, Kamiya Y, Noda M, Uchiyama S, Yagi H & Kato K. (2013). An archaeal homolog of proteasome assembly factor functions as a proteasome activator. PloS one 8: e60294.

II型ヒトノロウイルスキャプシドに特異的なモノクロナール抗体が認識する、ウイルスキャプシド上の結合部位を特定した。まずキャプシドの一部とモノクローナール抗体との複合体の構造をX線結晶解析により3.3Å分解能で決定した。次にクライオ電子顕微鏡による単粒子解析によってキャプシド全体の構造を10Å分解能で決定し、これに先の複合体結晶構造をあてはめた。結果、II型ヒトノロウイルスキャプシドは、基底部と突起部の間に高さ15Å程度の隙間をもち、モノクロナール抗体はこの隙間に入り込んで、キャプシド内部に結合することがわかった。

Hansman G, Taylor D, McLellan J, Smith T, Georgiev I, Tame J, Park SY, Yamazaki M, Gondaira F, Miki M, Katayama K, Murata K* & Kwong P*. (2012) Structural basis for broad detection of genogroup II noroviruses by a monoclonal antibody that binds to a site occluded in the viral particle. J Virol 86, 3635-3646. * corresponding authors

   

クライオ位相差電子顕微鏡を使うことで、ナノおよびサブナノメートル分解能のタンパク質の構造が鮮明に観察でき、構造解析の効率化が達成できた。
Murata K, Liu X, Danev R, Jakana J, Schmid MF, King J, Nagayama K & Chiu W. (2010). Zernike phase contrast cryo-electron microscopy and tomography for structure determination at nanometer and subnanometer resolutions. Structure 18, 903-912.

ジヒドロピリジン受容体(DHPR: L-タイプ電位依存性Ca2+チャンネル)alpha1-beta複合体の三次元構造が、電子顕微鏡の単粒子解析によって明らかになった。これによって、DHPRの中の5つのサブユニットの局在が示唆された。
Murata K, Nishimura S, Kuniyasu A, & Nakayama H. (2010). Three-dimensional structure of the alpha1-beta complex in the skeletal muscle dihydropyridine receptor by single-particle electron microscopy. J Electron Microsc (Tokyo) 59, 215-226.

 
   

主な電子顕微鏡

超高圧電子顕微鏡(日立H-1250M)はバクテリアまたは細胞のような厚い生物試料の内部を数ミクロンのオーダーで観察することができます。さらに、試料を傾けて連続撮影することにより、試料の立体再構築ができます。

最高加速電圧: 1250kV  LaB6フィラメント
試料傾斜角: +/-60°
試料ホルダー:サイドエントリーZ回転ホルダー
       液体窒素クライオ試料ホルダー
       他

位相板電子顕微鏡(JEOL JEM2200FS)は無染色染色無固定の生物試料(氷包埋された細胞、ウイルスやタンパク質)を高分解能で観察することができます。対物レンズに挿入されたゼルニケ位相板により像コントラストを回復します。

加速電圧: 200kV 電界放出型電子銃
エネルギーフィルター: オメガタイプ
カメラ: Tietz 4K×4K スロースキャンCCD

連続表面ブロック走査型電子顕微鏡(SBF-SEM)は、細胞や組織のような大きな試料を専用のウルトラミクロトームで削りながら露出した表面像を連続して記録します。このことにより、厚さの制限がなく試料の三次元形態を再構築することができます。

SEM部:Zeiss Sigma/VP or Merilin
ミクロトーム部:Gatan 3View