2016 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidating the role of high-speed self-excited oscillations on the heartbeat using cross-layer measurement from one molecule to heart
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15J07373
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
新谷 正嶺 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 集団振動 / 心筋細胞 / 筋収縮 / 階層性 / ミオシン / モデルシミュレーション / ナノスケール計測 / 光学顕微計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、新たに発見した心筋細胞の高速筋節振動がどのような分子メカニズムで実現し、心拍やその破綻とどう関わるのかの解明を目指すものである。今年度は、昨年度に開発した実験系による昇温誘起の高速筋節振動の振動特性を解析すると、振動周期が非常に頑強であることが明らかとなった。心筋細胞の自発的なカルシウム濃度変化に伴って、筋節は高速振動も続けながら、カルシウム濃度依存の収縮・弛緩も同時に行う。このとき、平均筋節長はもちろんのこと、振動振幅や、収縮・伸展時間も変化する。しかし、収縮時間と伸展時間の合算値である振動周期は一定に保たれる。関係性が示唆される結果として、振動周期の頻度分布が急峻な分布となることなど、共振・共鳴の仕組みの存在を示唆する結果が得られている。
モデル計算による現象の再現としては、筋節集団の構造とアクトミオシンの反応およびカルシウム制御を考慮したモデルのシミュレーションで、強い振動周期の安定性、以外の再現に成功した。モデルの詳細から独立的な、実験結果への示唆として、カルシウム濃度に応じて筋節内部で働くミオシンの総数が変わり、筋節が生み出す力が大きくなる一方、個々のミオシンに掛かる力や環境があまり変わらないことが、カルシウム濃度応答と固有周期の維持を両立させているという示唆が得られた。
これらの成果に関して、日本時間生物学会から優秀ポスター賞を頂いた。また、上記のモデル計算に関して、一定のカルシウム濃度において、ミオシン集団を起源とする筋節振動が発生する仕組みの仮説をPhys.Rev.E.に掲載した。ここでは、首を振ったミオシンが、首を振る前の状態に戻る逆反応が起こることを仮定している。その妥当性の実験検証も、環境が許すなら行ないたいと考えている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
発見した筋節振動を詳細に観察したからこそ見出せたと思われる、筋節の振動特性の頑強性を示す実験事実を得ることが出来た。また、分子のレベルから考えたモデル計算との比較検証を行うことで、破綻しない現象の説明が出来るようになった。すべての実験結果の説明は出来てないが、周期の頑強性と、カルシウム濃度応答性の両立の説明は、概要の項目に書いた通り可能になった。このモデルの話など、本研究に関連する、または結びつきうる研究成果を8本、論文掲載することが出来た。しかし、主たる研究の内容はまだ投稿準備中である。よって、「概ね順当に進展している」と自己評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに、筋節の話を、実験とモデル計算の両軸で進展させることに成功した。主に扱ったモデルが分子レベルの仮定に基づくものであるため、分子レベルの話においても、モデル計算は既に行なっている。よって、実験による分子レベルの挙動の情報取得で、可能な限り、モデル計算の仮定を少なくしていきたい。そして、心筋組織・心臓レベルの話について、実験とモデル計算の両方での進展を目指す。また、それらの研究成果をまとめて、心臓における、構造と機能の階層性について考察する。
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