極限環境耐性動物クマムシの持つ耐性メカニズムのダイナミズムと新規分子原理の解明

• Project/Area Number: 20K20580
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 國枝 武和 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (10463879)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2022: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2021: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2020: ¥11,570,000 (Direct Cost: ¥8,900,000、Indirect Cost: ¥2,670,000)
• Keywords: 乾燥耐性 / ゲル相転移 / クマムシ / ストレス / 細胞骨格 / 相分離 / ソフトマター / 弾性体 / 相転移 / ゲル

Outline of Research at the Start

クマムシは様々な極限環境に耐性を示し、乾燥時にはほぼ完全に脱水した無代謝状態に移行して耐える。しかし、こうした耐性能力の分子メカニズムには不明な点が多い。研究代表者は一群のクマムシ固有の耐性タンパク質が脱水ストレスに応答してダイナミックに局在を変化させ特有の形態構造を形成することを見出した。この構造変化は、これまで広く受け容れられてきた乾燥耐性の分子原理とは相容れない現象であり、新たな分子原理の存在が提起された。本課題では、こうした構造変化をもたらす分子的基盤を明らかにするとともに、この構造変化がおよぼす物性の変化、および生物学的耐性への寄与を解明し、新たな耐性分子原理の検証と提唱を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、これまでに同定してきた脱水ストレスに応答して可逆的に特有の構造体を形成するクマムシタンパク質群 T-DRYPs について解析することで、新たな耐性原理の検証と提唱を目指している。本年度は、まずこれまでに主にヒト培養細胞を用いて明らかにしていたストレスに応答して線維化するクマムシ固有の耐性タンパク質CAHS3について、クマムシ個体における挙動の解析を行った。まず、免疫組織化学を用いた超解像イメージングによりクマムシ成体において内在性CAHS3タンパク質は主に表皮細胞と体腔細胞に発現していることを明らかにした。さらに乾燥前後における細胞内の挙動を解析した結果、乾燥依存に細胞骨格様の密な繊維状ネットワークを形成することを見出した。さらに、同タンパク質のクマムシ個体における存在量がin vitroでゲル転移を引き起こすに足る濃度とほぼ同等であることを明らかにした。これらの結果はこれまでヒト培養細胞など異種細胞発現系で明らかにしてきたように、クマムシ細胞においても内在性CAHSタンパク質が乾燥依存に線維化しゲル転移を誘起することを示唆している。また、繊維化を可能にする構造基盤を明らかにするために、線維化能の異なるCAHSパラログ間のスワップ解析から繊維化能を規定する領域を絞り込んだ後、変異導入解析によって乾燥時に形成されるヘリックス構造における電荷アミノ酸の連続した局在が繊維化に決定的であり、静電相互作用が重要な形成基盤の１つであることを示唆した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

線維化能の異なるCAHSパラログ間の比較・変異導入解析から当初予定していた線維化能を規定する構造基盤の解明を達成することができた。加えて、クマムシ個体におけるCAHS3タンパク質の挙動を解明し、これまで解明してきた脱水ストレスに依存した繊維ネットワーク形成がクマムシ細胞に起きていることを明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

CAHS を含む T-DRYPs について、それらの間・あるいは他の生体分子との相互作用の解析

Research Products

• [Int'l Joint Research] Durham University(英国)
• [Int'l Joint Research] Durham University(英国)
• [Journal Article] Stress-dependent cell stiffening by tardigrade tolerance proteins that reversibly form a filamentous network and gel (2022)
  • Author(s): Tanaka Akihiro、Nakano Tomomi、Watanabe Kento、Masuda Kazutoshi、Honda Gen、Kamata Shuichi、Yasui Reitaro、Kozuka-Hata Hiroko、Watanabe Chiho、Chinen Takumi、Kitagawa Daiju、Sawai Satoshi、Oyama Masaaki、Yanagisawa Miho、Kunieda Takekazu
  • Journal Title: PLOS Biology Volume: 20 Issue: 9 Pages: 3001780-3001780
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3001780
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Application of CRISPR/Cas9 system and the preferred no-indel end-joining repair in tardigrades (2022)
  • Author(s): Kumagai Hitomi、Kondo Koyuki、Kunieda Takekazu
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 623 Pages: 196-201
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.07.060
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Description of a model tardigrade Paramacrobiotus metropolitanus sp. nov. (Eutardigrada) from Japan with a summary of its life history, reproduction and genomics (2022)
  • Author(s): SUGIURA KENTA、MATSUMOTO MIDORI、KUNIEDA TAKEKAZU
  • Journal Title: Zootaxa Volume: 5134 Issue: 1 Pages: 92-112
  • DOI: 10.11646/zootaxa.5134.1.4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] クマムシ：極限ストレス耐性のメカニズム-ヒトへの応用を展望して (2022)
  • Author(s): 國枝武和
  • Journal Title: 医学のあゆみ（医歯薬出版） Volume: 280 Pages: 799-804
• [Journal Article] Parallel evolution of trehalose production machinery in anhydrobiotic animals via recurrent gene loss and horizontal transfer (2021)
  • Author(s): Hara Yuichiro、Shibahara Reira、Kondo Koyuki、Abe Wataru、Kunieda Takekazu
  • Journal Title: Open Biology Volume: 11 Issue: 7 Pages: 200413-200413
  • DOI: 10.1098/rsob.200413
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Stress-dependent cell stiffening by tardigrade tolerance proteins through reversible formation of cytoskeleton-like filamentous network and gel-transition (2021)
  • Author(s): Tanaka Akihiro、Nakano Tomomi、Watanabe Kento、Masuda Kazutoshi、Honda Gen、Kamata Shuichi、Yasui Reitaro、Kozuka-Hata Hiroko、Watanabe Chiho、Chinen Takumi、Kitagawa Daiju、Sawai Satoshi、Oyama Masaaki、Yanagisawa Miho、Kunieda Takekazu
  • Journal Title: bioRxiv Volume: N.A Pages: 462891-462891
  • DOI: 10.1101/2021.10.02.462891
  • Open Access
• [Journal Article] 宇宙に耐える極限生物から切り拓く新たな放射線ストレス防衛機構の解明 (2021)
  • Author(s): 國枝武和
  • Journal Title: 医学のあゆみ（医歯薬出版） Volume: 279 Pages: 615-621
• [Presentation] 乾燥耐性を持つクマムシにおけるゲノム編集 (2023)
  • Author(s): 近藤小雪
  • Organizer: 第7回クマムシ学研究会
• [Presentation] クマムシの乾燥耐性を”支える”CAHS線維のはたらき (2023)
  • Author(s): 田中彬寛
  • Organizer: 第7回クマムシ学研究会
• [Presentation] Physiological roles of tardigrade-unique heat-soluble proteins (2022)
  • Author(s): Akihiro Tanaka
  • Organizer: 15th International Symposium on Tardigrada
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stress-dependent cell-stiffening by tardigrade tolerance proteins CAHS through reversible formation of a cytoskeleton-like filamentous network and gel-transition (2022)
  • Author(s): Akihiro Tanaka
  • Organizer: 15th International Symposium on Tardigrada
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マムシ固有の繊維化耐性タンパク質CAHSによるストレスに応答した細胞の硬化と耐性の向上 (2022)
  • Author(s): 國枝武和
  • Organizer: 極限環境生物学会第23回年会
• [Presentation] 乾燥耐性を持つクマムシにおけるゲノム編集 (2022)
  • Author(s): 近藤小雪
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会
• [Presentation] Tardigrade-unique tolerance protein CAHS forms filaments via electrostatic interaction and stiffens cells in response to hyperosmotic stress (2022)
  • Author(s): 田中彬寛
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会
• [Presentation] クマムシ固有の繊維化耐性タンパク質CAHSによるストレス依存の細胞硬化と繊維形成に関わる静電相互作用の解明 (2022)
  • Author(s): 田中彬寛
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会
• [Presentation] 脱水ストレス依存に細胞骨格様の線維やゲルを形成するクマムシタンパク質CAHSによる細胞の機械的強度の向上 (2022)
  • Author(s): 田中彬寛
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] クマムシ固有の耐性タンパク質CAHSによるストレス依存的な細胞の機械的強度の向上 (2022)
  • Author(s): 田中彬寛
  • Organizer: 第7回ユニーク会
• [Presentation] クマムシ固有の耐性タンパク質CAHSの脱水様ストレス依存の線維化に必要な高次構造と細胞を保護するメカニズムの解析 (2022)
  • Author(s): 田中彬寛
  • Organizer: 日本動物学会第93回大会
• [Presentation] Unique toolbox in tardigrade anhydrobiosis (2022)
  • Author(s): Takekazu Kunieda
  • Organizer: Royal Society Theo Murphy Meeting - Anhydrobiosis
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Stress-dependent cell stiffening by tardigrade tolerance proteins CAHS through reversible formation of cytoskeleton-like filamentous network and gel-transition (2022)
  • Author(s): Akihiro Tanaka
  • Organizer: Royal Society Theo Murphy Meeting - Anhydrobiosis
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 脱水様ストレスに応答して線維/ゲル化するクマムシタンパク質の機能・構造解析 (2022)
  • Author(s): 田中彬寛
  • Organizer: 第1回乾眠生物若手の会
• [Presentation] なぜクマムシは乾燥すると頑強になるのか？ (2022)
  • Author(s): 田中彬寛
  • Organizer: 第6回クマムシ学研究会
• [Presentation] クマムシはどうやって極限環境に耐えるのか？ (2021)
  • Author(s): 國枝武和
  • Organizer: 大隅基礎科学創成財団 第2回市民講座
  • Invited
• [Presentation] 放射線も平気？極限環境に耐える動物クマムシ (2021)
  • Author(s): 國枝武和
  • Organizer: 日本進化学会 第23回大会公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] クマムシ固有な新規細胞骨格様タンパク質による耐性メカニズムの解析 (2021)
  • Author(s): 田中彬寛
  • Organizer: 日本動物学会 第92回大会
• [Presentation] クマムシ固有の耐性タンパク質CAHSの線維/ゲル化メカニズムの解析 (2021)
  • Author(s): 田中彬寛
  • Organizer: 極限環境生物学会 第22回大会
• [Presentation] クマムシ固有の乾燥耐性タンパク質による脱水ストレスに応答した可逆的な細胞骨格様線維/ゲルの形成 (2021)
  • Author(s): 田中彬寛
  • Organizer: 日本分子生物学会 第44回大会
  • Invited
• [Presentation] クマムシ固有分泌型熱可溶性タンパク質SAHS1の機能解析 (2021)
  • Author(s): 安井玲太朗
  • Organizer: 極限環境生物学会 第22回大会
• [Presentation] Tardigrades' unstructured proteins as a toolkit for extremotolerance (2020)
  • Author(s): Takekazu Kunieda
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] クマムシ固有の天然変性タンパク質の脱水ストレスに応答した可逆的な繊維形成 (2020)
  • Author(s): 田中彬寛、中野智美、秦裕子、尾山大明、國枝武和
  • Organizer: 日本動物学会 第91回大会
• [Presentation] 脱水に応答して繊維構造を可逆的に形成するクマムシ固有の天然変性タンパク質の解析 (2020)
  • Author(s): 田中彬寛、中野智美、國枝武和
  • Organizer: 第58回生物物理学会
• [Presentation] 脱水に応答して繊維構造を可逆的に形成するクマムシタンパク質の解析 (2020)
  • Author(s): 田中彬寛、中野智美、秦裕子、尾山大明、國枝武和
  • Organizer: 第5回クマムシ学研究会
• [Presentation] 脱水に応答して繊維構造を可逆的に形成するクマムシ固有の天然変性タンパク質の解析 (2020)
  • Author(s): 田中彬寛、中野智美、國枝武和
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会
• [Presentation] クマムシ固有分泌型熱可溶性タンパク質SAHS1のリガンド解析 (2020)
  • Author(s): 安井玲太朗、田中彬寛、國枝武和
  • Organizer: 極限環境生物学会2020年度 (第21回)年会
• [Remarks] クマムシ耐性タンパク質によるストレスに応答した細胞の硬化
  • URL: http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2022/8042/
• [Remarks] How tardigrades bear dehydration.
  • URL: https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00244.html
• [Remarks] くまむし研究グループ
  • URL: http://www.bs.s.u-tokyo.ac.jp/~saibou/kuma/