2017 Fiscal Year Research-status Report
染色体構造動態の核内長距離相互作用をふまえた描像の確立
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17K05614
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
粟津 暁紀 広島大学, 理学研究科, 准教授 (00448234)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上野 勝 広島大学, 先端物質科学研究科, 准教授 (90293597)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 分裂酵母染色体モデル / ウニ初期胚細胞核内構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、次の考察を通し真核生物の転写や増殖を左右する染色体動態機序の解明を試みる事である。1.分裂酵母染色体動態の機序の、ライブイメージングと物理モデル構築による解明。2.多細胞生物染色体の物理モデル構築による動態の機序の予言と実験提案。具体的には、従来は考慮されなかったが核内でその存在が明白な、以下の長距離相互作用、A.染色体間、及び染色体と変形する核膜の間の流体力学相互作用の影響、B.転写ネットワークを介して局所染色体状態変化が遠距離の遺伝子座に伝わる影響、に特に着目し、その寄与を実験との比較より評価することで、真核生物核内動態の実像へのアプローチを試みることである。
まず 1.に関して、まず分裂酵母の減数分裂前期に現れるホーステイル運動と呼ばれる、細胞核の細胞内での大規模振動運動に伴う核内染色体の動態を、核の変形によって生じる核内の溶媒の流れの影響を考慮した、染色体間及び染色体－核膜間の長距離相互作用を考慮した数理モデルを構築することで、再現した。そして実験からホーステイル運動に伴って起こると知られている、相同染色体同士が接近し並列する「対合」形成をシミュレーションにより観察し、非相同染色体間の長さの違いがそれらに働く核内溶媒からの抵抗力の差を生み、その結果として非相同染色体同士が相分離する事で相同染色体同士が接近出来る事を見出した。
また 2.に関しては、ウニ初期胚の核内構造と遺伝子発現の関係に関する実験とデータ解析を、主にヒストン遺伝子の発現と核内位置に注目し、蛍光 in situ hybridization (FISH) を用いて進めた。そしてヒストン遺伝子の発現が活発な時期になると、ヒストン遺伝子同士が核の中央に互いに接近する事を見出し、遺伝子発現と遺伝子座同士の実効的な長距離相互作用を見出す事ができた。
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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
本研究では 1.分裂酵母染色体動態の機序の、ライブイメージングと物理モデル構築による解明、2.多細胞生物染色体の物理モデル構築による動態の機序の予言と実験提案、を核内流体力学相互作用による核内長距離相互作用と、転写制御による実効的な長距離相互作用を考慮に入れ、進めて行く。
まず1. については上記の通り、分裂酵母で見られる核が大変形する挙動である、ホーステイル運動に伴う核内染色体動態を考察するためのモデルの構築が出来ており、またこのモデルと同じ手法で分裂酵母間期核内染色体動態のモデルも現段階で構築できている。また同時に進めている分裂酵母核内のライブイメージングにより、核小体と Spindle pole body (SPB)の位置関係の時系列データが取得されており、その解析により構築された間期核内モデルがイメージングデータと整合性を持つ事が見出されつつある。このように分裂酵母間期染色体の、核内溶媒の影響を考慮した数理モデルの構築は概ね順調に進んでいると考えられる。
また 2.についても上記の通り、高等多細胞生物の一種であるウニを用いて、その初期発生時に、発生ステージ依存的な遺伝子発現の変化に相関する染色体構造の明確な変化が観察されており、転写制御によって生じる実効的な核内長距離相互作用の一端を観察する事が出来ている。特に転写活性が高い程その遺伝子座同士の距離が近くなる傾向が見られている事から、転写が活性化した遺伝子座同士に実効的な長距離引力が生じる可能性が示唆され、今後一般性を確認するために更なる解析と検討が必要ではあるが、数理モデル構築に向けた核内の実効的長距離力の候補の発見も順調に進んでいると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目的は 1.分裂酵母染色体動態の機序の、ライブイメージングと物理モデル構築による解明、2.多細胞生物染色体の物理モデル構築による動態の機序の予言と実験提案、を核内流体力学相互作用による核内長距離相互作用と、転写制御による実効的な長距離相互作用を考慮に入れ、進めて行く事である。そこで今後はこれまでの成果を踏まえて、以下のような方針で研究を遂行して行く。
まず 1.については、これまでに構築した分裂酵母間期核内染色体モデルの解析と、ライブイメージングデータとの比較を進めて行く。まずライブイメージングより、普段は SPB の位置が細胞内で小刻みに振動している事、染色体に損傷が入るとその振動が止まる事が見られているので、モデルにおいても SPB が振動する場合と振動しない場合をシミュレーションする事で、核内染色体の構造や動態にどのような変化が生じ、それが分裂酵母の遺伝子制御にどのような関わりを持つのか明らかにする。さらに様々な変異体のライブイメージングから、SPB と核小体との位置関係が変化する事や、核膜が柔らかくなる事が見出されているので、そのような変異体に対応するモデルも構築し、これらの遺伝子の役割及び核小体の位置制御の役割について考察する。
また 2. については、観察方法の重点をこれまで FISH で行ってきた核内イメージングから、生きた胚への蛍光プローブ導入によるライブイメージングに徐々にシフトし、ウニ胚発生時におけるリアルタイムでの核内動態観察を進めて行く。これまでに既に RNA ポリメラーゼや核小体、ヘテロクロマチン、核膜孔をイメージングするための準備を進めてきており今後はそれらを用いた観察を通じ、核内実効長距離力のモデル化に向けた解析を進めて行く。
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