2016 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidating the force-based mechanisms regulating nuclear structure and function
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15K14515
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| Research Institution | National Institute of Genetics |
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Principal Investigator |
島本 勇太 国立遺伝学研究所, 新分野創造センター, 准教授 (80409656)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 細胞核 / 機械計測 / クロマチン / マイクロマニピュレーション / 力学特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、細胞が環境から受ける機械刺激に応答しながら適切に機能し、またそれが破綻するメカニズムを、細胞核の力学特性に着目して明らかにすることを目的として行った。過去多くの分子生物学実験によって、細胞が受ける力のストレスが核の変形や核内クロマチンの動態変化を生み出すことが報告されている。しかしながら、核への物理的アクセスの難しさから、核がいかに力に応答するかについて直接的な知見はほとんど得られていなかった。本研究では、ガラス製マイクロニードルを基礎とした微小力学操作顕微鏡によって核を直接マイクロマニピュレーションし、その硬さと粘弾性を定量的に決定した。さらにこの力学計測実験にクロマチンの生化学操作手法を組み合わせることで、核メカニクスの背後にある分子基盤の一端を明らかにした。実験は、初めにcell-free系で確立した計測を基礎に、単離核と生細胞核の計測を実現した。特に、ヒト培養細胞の単離核における解析から、核は高い弾性を持ち、またその弾性の強さがクロマチン高次構造形成に関与するリンカ－DNAとヒストンのアセチル化に応じて有意に減少することを明らかにした。さらに、生細胞内における核の力学操作技術を開発し、単離核実験で観察されたヒストンアセチル化に伴う核の硬さ変化をin situ検証することができた。これらの結果に基づいて、３つの機械要素から構成されるシンプルな力学モデルを提案した。これまで、核の機械的インテグリティは核膜を裏打ちする核ラミナ構造によって支えられているという知見が確立されていた。これに対し本研究成果は、遺伝情報の保持・制御を司るクロマチンが力発生ポリマーとして核の機械的強度を支えていることを示唆するものである。またこの結果は、クロマチンが核に作用する力に対して変形することを示唆し、転写を初めとする細胞活性が力によって制御される可能性を予見するものである。
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