細胞膜張力がアクチンのパターン制御を通して管状組織の機械的強度を調節する

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K14746
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 内田 清薫 (関根清薫) 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 訪問研究員 (00794398)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 管状上皮 / アクチン / ショウジョウバエ / 筋原繊維 / Z-disc / 超解像顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

生体の管構造を支持する細胞内骨格パターンとして、リング状のアクチン繊維が等間隔に配列する現象が報告されている。管状上皮であるショウジョウバエ気管では内径拡張時、内腔側の細胞膜直下に等間隔アクチンリングが出現し、個体の成長に応じてリングの直径と間隔が拡張する。本研究は、この等間隔アクチンリングの形成・調節機構の上流には細胞膜にかかる張力があるという仮説に基づいて行っており、1)等間隔アクチンリング形成過程のアクチンパターン、2)等間隔アクチンリング形成・調節に必要なアクチン結合分子・膜脂質、3)気管アピカル膜にかかる張力によるアクチンパターン及び管構造強度への影響、に着目した研究実施計画を立てた。
本年度は、産休及び育休のため研究活動を中断していたため、自宅で可能な活動に留まった。上記の1)について、昨年度取得した、超解像顕微鏡技術による気管の拡張前後におけるアクチンパターンの画像データの定量的な解析を進めた。論文発表の準備として、本文や図表を整えた。
また、2)について昨年度、アクチンリングに必要とされる遺伝子をRNAi発現系統を用いて探索した結果、16の重要なアクチン結合分子を同定した。そこで今年度は、重要なことが明らかとなった16の遺伝子に関するこれまでの論文等を読み、今後の研究方針を考察した。その結果、複数の分子が筋原繊維のZ-discを形成する分子であることが明らかとなった。非筋肉細胞におけるZ-disc関連分子の機能はこれまであまり明らかになっていない。等間隔アクチンリング形成にはアクチンの「収縮力」が必要であることが数理モデルにより示唆されているため、Z-discのメカニズムを一部組み込んだ仕組みを使っているのではないかという仮説に至った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本年度は産休・育休のため実験等を実施できなかったため、やや進捗が遅れている。

Strategy for Future Research Activity

3年目は、下記の通り研究を進める。
1)等間隔アクチンリング形成過程のアクチンパターン、についてアクチン集合体のダイナミクスの定量的な解析を進め、終わらせる。
2)等間隔アクチンリング形成・調節に必要なアクチン結合分子・膜脂質、については、スクリーニングで同定された必須のアクチン結合分子のGFP融合系統を用いて、それぞれの分子がアピカル膜上のどこで機能しているかを調べる。過剰発現実験や遺伝子間相互作用を明らかにすることで、張力感知システムとして考えられる分子機構を想定する。
3)気管アピカル膜にかかる張力によるアクチンハパターン及び管構造強度への影響、に関してアクチンパターンを乱した時の管構造を検証し、その強度を推定する。また、全長の短い変異体や、一部の筋肉活動を阻害して張力のかからない状況にした際に、管構造およびアクチンパターンがどのように変化するかを検証する。
さらに、Z-discのメカニズムを一部組み込んだ仕組みを使うことで、アクチンリングの強い「収縮力」を実現し、短時間でのパターン形成及び管構造の調節を可能にしているのではないかという仮説を検証する。収縮力とアクチンパターンの関係を明らかにし、数理モデルに基づき検証する。得られた結果を論文としてまとめ、国内外の学会で発表する。

Causes of Carryover

本年度は産休及び育休のため、実験などを実施せず予算を使用しなかったため。