Revealing the mechanism of intracellular positioning of the nucleus using cutting-edge microscopes

• Project/Area Number: 18KK0202
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
• Research Institution: National Institute of Genetics
• Principal Investigator: 木村 暁 国立遺伝学研究所, 遺伝メカニズム研究系, 教授 (10365447)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 五島 剛太 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (20447840) ; 鳥澤 嵩征 国立遺伝学研究所, 遺伝メカニズム研究系, 助教 (60749406)
• Project Period (FY): 2018-10-09 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2020: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2019: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2018: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
• Keywords: 細胞核 / 細胞骨格 / 力 / 遠心偏光顕微鏡 / 方向非依存微分干渉顕微鏡 / 細胞内配置 / 線虫 / 遠心偏光顕微鏡(CPM) / 方向非依存微分干渉顕微鏡(OI-DIC)

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の目的は、細胞核が細胞の中央に配置するメカニズムについて、米国Marine Biological Laboratory (MBL)・イメージンググループが保有する遠心偏光顕微鏡(CPM)や方向非依存微分干渉顕微鏡(OI-DIC)など、独自の先端イメージング手法を駆使して迫ることである。細胞核が細胞内で移動するメカニズムを明らかにするためには、細胞核の移動にかかる力を測定することが重要と考えた。本研究課題開始前の予備的な結果から、これらの手法を用いることにより、細胞核が細胞内で移動する際の力を測定できることを見出していた。2019年度までにMBLに滞在し、CPMおよびOI-DICを用いた測定を行った。その際にCPMについてはMBL側で不要となり、研究代表者の研究室に移送する許可を得た。それに伴いCPMについては2019および2020年度にかけて研究代表者の研究室に移送・設置を行い、これ以降は研究代表者の研究室でCPMの測定を継続している。一方、OI-DICを用いた計測については引き続きMBLに滞在して共同研究が必要であった。新型コロナウイルスの流行に伴い、2021年度はMBLを訪問できなかったが、2022年度にMBLを訪問しOI-DIC測定を行うことができた。これらの結果を踏まえて、細胞核の移動にかかる力を測定する新しい方法論の開発に成功し、それを用いて線虫胚での前核移動に必要な力や核の抵抗係数を計測することに成功した。現在、これまでの研究成果をまとめて英文国際誌に投稿を行っており、査読コメントへの対応を行っている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新型コロナウイルスの世界的流行に伴い2020および2021年度にMBLを訪問できなかったことは計画遂行に対して大きなマイナス要素となった。一方で、当初は計画していなかったCPMの日本への移設が可能となり、MBLに訪問できない時期にもCPMを使った研究は進展させることができた。OI-DICを使った測定は2022年度にMBLに訪問できたので遅れを挽回しつつあり、現在、研究成果の英文国際誌に投稿するまでに至った。全体的には当初の計画よりは「やや遅れている」と判断し、査読コメントに対応して研究を完成させるために研究期間の延長手続きを行なった。

Strategy for Future Research Activity

論文投稿中なので、査読者からのコメントに対応した研究を行う。さらに、研究の過程で細胞の形状に関する新たな知見を得たので、その研究も発展させる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Marine Biological Laboratory(米国)
• [Int'l Joint Research] Marine Biological Laboratory(米国)
• [Int'l Joint Research] Marine Biological Laboratory(米国)
• [Int'l Joint Research] Marine Biological Laboratory(米国)
• [Int'l Joint Research] Marine Biological Laboratory(米国)
• [Journal Article] Live-cell imaging under centrifugation characterized the cellular force for nuclear centration in the Caenorhabditis elegans embryo (2024)
  • Author(s): Goda Makoto、Shribak Michael、Ikeda Zenki、Okada Naobumi、Tani Tomomi、Goshima Gohta、Oldenbourg Rudolf、Kimura Akatsuki
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 2024.01.03.574024 Pages: 574024-574024
  • DOI: 10.1101/2024.01.03.574024
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Switching from weak to strong cortical attachment of microtubules accounts for the transition from nuclear centration to spindle elongation in metazoans (2024)
  • Author(s): Tada Shohei、Yamazaki Yoshitaka、Yamamoto Kazunori、Fujii Ken、Yamada Takahiro G.、Hiroi Noriko F.、Kimura Akatsuki、Funahashi Akira
  • Journal Title: Heliyon Volume: 10 Issue: 3 Pages: e25494-e25494
  • DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e25494
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic Allometry of Nuclei in Early Embryos of Caenorhabditis elegans (2024)
  • Author(s): Fickentscher Rolf、Ozawa Tomoko、Kimura Akatsuki、Weiss Matthias
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 14 Issue: 1 Pages: 011016-011016
  • DOI: 10.1103/physrevx.14.011016
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enucleation of the C. elegans embryo revealed dynein-dependent spacing between microtubule asters (2023)
  • Author(s): Fujii Ken、Kondo Tomo、Kimura Akatsuki
  • Journal Title: Life Science Alliance Volume: 7 Issue: 1 Pages: e202302427-e202302427
  • DOI: 10.26508/lsa.202302427
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Armadillo repeat-containing kinesin represents the versatile plus-end-directed transporter in Physcomitrella (2023)
  • Author(s): Yoshida Mari W.、Hakozaki Maya、Goshima Gohta
  • Journal Title: Nature Plants Volume: - Issue: 5 Pages: 733-748
  • DOI: 10.1038/s41477-023-01397-x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sequential accumulation of dynein and its regulatory proteins at the spindle region in the Caenorhabditis elegans embryo (2022)
  • Author(s): Torisawa Takayuki、Kimura Akatsuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 11740-11740
  • DOI: 10.1038/s41598-022-15042-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The extra-embryonic space and the local contour are crucial geometric constraints regulating cell arrangement (2022)
  • Author(s): Seirin-Lee Sungrim、Yamamoto Kazunori、Kimura Akatsuki
  • Journal Title: Development Volume: 149 Issue: 9
  • DOI: 10.1242/dev.200401
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Formulation of Chromatin Mobility as a Function of Nuclear Size during C. elegans Embryogenesis Using Polymer Physics Theories (2022)
  • Author(s): Yesbolatova Aiya K.、Arai Ritsuko、Sakaue Takahiro、Kimura Akatsuki
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 128 Issue: 17 Pages: 178101-178101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.128.178101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Physical properties of the cytoplasm modulate the rates of microtubule polymerization and depolymerization (2022)
  • Author(s): Molines Arthur T.、Lemiere Joel、Gazzola Morgan、Steinmark Ida Emilie、Edrington Claire H.、Hsu Chieh-Ting、Real-Calderon Paula、Suhling Klaus、Goshima Gohta、Holt Liam J.、Thery Manuel、Brouhard Gary J.、Chang Fred
  • Journal Title: Developmental Cell Volume: 57 Issue: 4 Pages: 466-479.e6
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2022.02.001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sequential accumulation of dynein and its regulatory proteins at the spindle region in the Caenorhabditis elegans embryo (2021)
  • Author(s): Torisawa Takayuki、Kimura Akatsuki
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2021.09.14.460385
  • Open Access
• [Journal Article] Growth and division mode plasticity is dependent on cell density in marine‐derived black yeasts (2021)
  • Author(s): Goshima Gohta
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 27 Issue: 2 Pages: 124-137
  • DOI: 10.1111/gtc.12916
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Generation of Dynein Networks by Multi-Layered Regulation and Their Implication in Cell Division (2020)
  • Author(s): Takayuki Torisawa and Akatsuki Kimura
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 8 Pages: 1-13
  • DOI: 10.3389/fcell.2020.00022
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cytoplasmic streaming drifts the polarity cue and specifies the cell polarity in Caenorhabditis elegans zygotes (2019)
  • Author(s): Kimura Kenji、Kimura Akatsuki
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 887620-887620
  • DOI: 10.1101/2019.12.23.887620
  • Open Access
• [Presentation] Effect of cytoplasmic dynamics on dynein-dependent transport (2022)
  • Author(s): 鳥澤嵩征、木村暁
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Quantification and modeling of chromatin dynamics inside the living cell. (2022)
  • Author(s): Akatsuki Kimura
  • Organizer: 9th World Congress of Biomechanics 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Measurement of cellular forces bringing the nucleus to the cell center using the Centrifuge Polarization Microscope (CPM). (2020)
  • Author(s): Kimura A.
  • Organizer: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society Japan
• [Presentation] 線虫胚で”人工細胞核を造る”に向けた我々の取り組み (2019)
  • Author(s): 木村暁
  • Organizer: 第２回人工細胞核を創る会
• [Presentation] Architectonics of the cell, as a crossroad of physics and genetics (2019)
  • Author(s): Kimura A
  • Organizer: 第５７回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 基礎生物学における新発見にデータ同化はどう有用か? (2019)
  • Author(s): 木村暁
  • Organizer: 科学基礎論学会2019年度秋の研究例会
  • Invited
• [Presentation] 遠心偏光顕微鏡 CPM を用いた細胞内の力の定量化 (2019)
  • Author(s): 木村暁
  • Organizer: 定量生物学の会北海道キャラバン2019
  • Invited
• [Presentation] Measurement of physical forces that position the nucleus at the cell center in C elegans. (2019)
  • Author(s): Kimura A
  • Organizer: Chromosome Dynamics 2019: An international symposium on chromatin and chromosome stability.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞の構造計算と力学測定：線虫 C. elegans 胚における細胞核配置 (2019)
  • Author(s): 木村暁
  • Organizer: 「細胞を創る」研究会12.0
• [Presentation] 「力」に着目して分子の集団が細胞内の核配置を制御する仕組みを紐解く (2019)
  • Author(s): 木村暁
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
• [Presentation] Physical forces behind the spatial organizations of the cell (2019)
  • Author(s): 木村暁
  • Organizer: 線虫研究の未来を創る会2019
• [Presentation] 遠心顕微鏡で細胞核を動かし、力を定量する (2019)
  • Author(s): 木村暁
  • Organizer: 定量生物学の会第９回年会
• [Book] Quantitative Biology- A Practical Introduction. Learning Materials in Biosciences (2022)
  • Author(s): Akatsuki Kimura
  • Total Pages: 144
  • Publisher: Springer Nature Singapore
  • ISBN: 9789811650178
• [Book] 細胞建築学入門 (2019)
  • Author(s): 木村暁
  • Total Pages: 127
  • Publisher: 工学社
  • ISBN: 9784777520954
• [Remarks] 国立遺伝学研究所細胞建築（木村）研究室
  • URL: https://www.nig.ac.jp/nig/ja/research/organization-top/laboratories/kimura
• [Remarks] モータータンパク質「ダイニン」は、その制御因子群と細胞内で適切な順番で出会う
  • URL: https://www.nig.ac.jp/nig/ja/2022/08/research-highlights_ja/rh20220711.html
• [Remarks] The Well: MBL News from the Source
  • URL: https://social.mbl.edu/microscope-invented-by-shinya-inoue-is-given-to-japans-national-institute-of-genetics
• [Remarks] 生命科学DOKIDOKI研究室：これから研究の話をしよう第１０回：ようこそ、細胞建築学の世界へ
  • URL: https://www.terumozaidan.or.jp/labo/future/10/index.html
• [Remarks] 国立遺伝学研究所細胞建築研究室
  • URL: http://cellarchlab.galaxy.bindcloud.jp/home_jp.html