細胞運動の自発的なゆらぎを利用した柔軟な環境応答の分子メカニズム

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Cross-talk between moving cells and microenvironment as a basis of emerging order in multicellular systems
• Project/Area Number: 22111002
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 上田 昌宏 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (40444517)
• Project Period (FY): 2010-06-23 – 2015-03-31
• Keywords: シグナル伝達 / 自己組織化 / 細胞運動 / 自発性 / 細胞性粘菌 / 興奮系 / イノシトールリン脂質

Research Abstract

これまでの研究から，イノシトールリン脂質代謝系が細胞運動のの自発的なシグナル生成に働くことが明らかになってきた。この代謝系を構成するシグナル分子（PTENやPI3K等）が細胞内で自発的に極性をつくりだすことで細胞運動を制御している。本年度は、これまでに開発してきた（１）多階層イメージング解析，（２）細胞運動統計解析法、（３）自己組織化メカニズム解析をイノシトールリン脂質代謝系に適用し，この代謝系の特性を定量的に明らかにすることを試みた。その結果、イノシトールリン脂質代謝系が興奮系（excitable system）の特徴を示すことが実験的に明らかになった（Nishikawa et al., (2014)）。また、この興奮系の特徴を数理モデル化することに成功し、興奮性を基盤とする走化性濃度勾配検出のメカニズムを理論的に明らかにした（Shibata et al. (2013)）。細胞の興奮現象は神経細胞の電気生理現象においてよく知られているが、近年では、大腸菌，酵母，ES 細胞の遺伝子発現においても興奮や振動を示す現象が見つかり、細胞の基本的な性質の一つとして認識されるようになってきている。走化性のシグナル伝達系をより詳細に解析することで、細胞内の分子反応ネットワークが興奮系の特徴を持つことの生理的意義を、神経生理だけでなく細胞運動や細胞極性も含めたより広い生命現象の中で捉えることが可能になるだろう。

Current Status of Research Progress

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

Reason

イノシトールリン脂質代謝系が興奮系の特徴を持つことを実験と理論・数理モデル解析により明らかにしており、当初の研究目的を十分に達成した。さらに、本研究において開発してきた細胞運動解析法を神経細胞内の細胞核の運動解析に適用した結果、細胞核の運動モードを特徴づけることに成功した（Okamoto et al., Nature neuroscience, (2013)）。また、走化性運動を介して起こる多細胞体形成についても研究を進めたところ、細胞間において細胞運動の同調化を引き起こす走化性シグナルが遺伝子発現のシグナルとしても働き、細胞間で遺伝子発現を同調化させることを明らかにした（Cai et al., Science (2014)）。これらの成果は本研究で開発してきた定量的イメージング解析を応用したものであり、当初計画において想定した研究成果を超えるものである。

Strategy for Future Research Activity

来年度は本研究の最終年度にあたる。これまでに開発してきた定量的イメージング解析法を走化性シグナル伝達系に適用することにより、多階層にわたる実験に基づいて走化性応答における細胞運動の数理モデルを構築する。数理モデルの解析から分子の確率的特性と細胞運動のゆらぎの間の関係を明らかにする。これにより、ゆらぐ分子から細胞の運動機能がゆらぎを内包しつつ自律的に生成されるメカニズムを明らかにする。特にイノシトールリン脂質代謝系の構成成分であるPTENに着目し、PTENの1分子レベルでの確率的特性と自己組織化ダイナミクスの関係、さらに細胞運動のゆらぎの関係を定量的に明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Excitable signal transduction induces both spontaneous and directional cell asymmetries in the Phosphatidylinositol Lipid Signaling System for Eukaryotic Chemotaxis (2014)
  • Author(s): Nishikawa, M., Hörning, M., Ueda, M. and Shibata, T.
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 106 Pages: 723-734
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2013.12.023
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nucleocytoplasmic shuttling of a GATA transcription factor functions as a development timer (2014)
  • Author(s): Cai, H., Katoh-Kurasawa, M., Muramoto, T., Santhanam, B., Long, Y., Li, L., Ueda, M., Iglesias, P. A., Shaulsky, G., and Devreotes, P, N.
  • Journal Title: Science Volume: 343 Pages: 1249531
  • DOI: 10.1126/science.1249531
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamin contributes to cytokinesis by stabilizing actin filaments in the contractile ring (2013)
  • Author(s): Masud Rana, A.Y. K. Md., Tsujioka, M., Miyagishima, S., Ueda, M. and Yumura, S.
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 18 Pages: 621-635
  • DOI: 10.1111/gtc.12060
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] TAG-1-assisted progenitor elongation streamlines nuclear migration to optimize subapical crowding (2013)
  • Author(s): Okamoto, M., Namba, T., Shinoda, T., Kondo, T., Watanabe, T., Inoue, Y., Takeuchi, K., Enomoto, Y., Ota, K., Oda, K., Wada, Y., Sagou, K., Saito, K., Sakakibara, A., Kawaguchi, A., Nakajima, K., Adachi, T. Fujimori, T., Ueda, M., Hayashi, S., Kaibuchi, K. and Miyata, T.
  • Journal Title: Nature Neuroscience Volume: 16 Pages: 1556-1566
  • DOI: 10.1038/nn.3525
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intracellular encoding of spatiotemporal guidance cues in a self-organizing signaling system for chemotaxis in Dictyostelium cells (2013)
  • Author(s): Shibata, T., Nishikawa, M., Matsuoka, S., and Ueda, M.
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 105 Pages: 2199-2209
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2013.09.024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A RabGAP Regulates Life-Cycle Duration via Trimeric G-protein Cascades in Dictyostelium discoideum (2013)
  • Author(s): Kuwayama, H., Miyanaga, Y., Urushihara, H. and Ueda, M.
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 8 Pages: e81811
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0081811
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 細胞内シグナル伝達系におけるゆらぎの階層化 (2014)
  • Author(s): 上田昌宏
  • Organizer: 自然科学研究機構プロジェクト合同シンポジウム「脳神経情報の階層的研究」「機能生命科学における揺らぎと決定」
  • Place of Presentation: 岡崎、生理学研究所
  • Year and Date: 20140227-20140227
  • Invited
• [Presentation] ゆらぎと生命機能 (2013)
  • Author(s): 上田昌宏
  • Organizer: 第２回NINS Colloquium「自然科学の将来像」
  • Place of Presentation: 静岡県掛川市ヤマハリゾートつま恋
  • Year and Date: 20131216-20131218
  • Invited
• [Presentation] 細胞内シグナル伝達の多階層イメージング解析 (2013)
  • Author(s): 上田昌宏
  • Organizer: 第５１回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館
  • Year and Date: 20131028-20131030
  • Invited
• [Presentation] 走化性シクナル伝達ネットワークの１分子・システム生物学 (2013)
  • Author(s): 上田昌宏
  • Organizer: 顕微鏡学会
  • Place of Presentation: 大阪ホテル阪急エキスポパーク
  • Year and Date: 20130520-20130522
  • Invited
• [Book] 細胞工学「ロバストネス～生命システムの打たれ強さ」 (2014)
  • Author(s): 高木拓明，佐藤雅之，上田昌宏
  • Total Pages: 7
  • Publisher: 学研メディカル秀潤社
• [Book] パリティー ２０１３年：「生命動態のシステム科学」零年 (2014)
  • Author(s): 上田昌宏
  • Total Pages: 2
  • Publisher: 丸善
• [Book] パリティー「真核細胞の走化性の物理」 (2013)
  • Author(s): 上田昌宏
  • Total Pages: 9
  • Publisher: 丸善
• [Remarks] 大阪大学大学院理学研究科・1分子生物学研究室
  • URL: http://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/bio_web/lab_page/ueda/index.html
• [Remarks] 細胞シグナル動態研究グループ ー理化学研究所 生命システム研究センター
  • URL: http://www.qbic.riken.jp/csd/ja/index.html