2021 Fiscal Year Research-status Report
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20K06713
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
西野 敦雄 弘前大学, 農学生命科学部, 教授 (50343116)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤原 滋樹 高知大学, 教育研究部自然科学系理工学部門, 教授 (40229068)
藤本 仰一 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (60334306)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ペースメーカー細胞 / リズム形成 / 進化 / 脊索動物 / 尾索動物 / 心臓 / 拍動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
心臓は，脊椎動物の生存に不可欠な器官であるが，その進化的起源についてはいまだ不明な点が多い。脊椎動物に最も近縁な無脊椎動物の系統であるホヤ類も心臓をもつが，このホヤ類の心臓は，拍動方向を定期的に反転させるという奇妙な特徴をもつ。
本年度までに我々は，ホヤの一種のカタユウレイボヤの心臓において，（1）二つの独立したペースメーカー細胞集団が心臓管の両端５％の領域（P領域とよぶ）に限定的に存在すること，（2）両端に存在するうちの一方のP領域のリズムが他方より速いと，遅い側のリズムは現れ出ず，実質的にマスクされること，（3）取り出した鰓側のP領域（PH領域）と臓側のP領域（PV領域）は，互いに異なる“変調リズム”を刻むことを見出した。
さらに我々は，本研究において，ホヤ心臓の部域特異的トランスクリプトームの分析を行って，P領域でつくられる自律的な変調リズムの生成メカニズムを明らかにするべく，候補となる遺伝子を絞り込んできており，令和３年度にはそれらの因子の分析を行ってきた。特に我々は，HCNチャネル群がカギを握る因子であると考えて発現パターンの解析を行った。さらに心臓管の極性の確立に関わると期待している因子については，ゲノム編集技術による遺伝子破壊実験を試みて，拍動リズムの攪乱を確認した。また，心臓管の任意の場所における周波数を継続的に可視化するツールを開発し，拍動反転が起こる前後の拍動のリズムの変化にはいくつかの法則性があることを見出した。末端に自律的に活動電位を発するペースメーカーが存在し，その間には活動電位を伝えるだけの領域がはさまれているホヤ心臓を模したバーチャルモデルを構築したところ，実際に（1）～（3）の要件により，拍動反転時に見られる諸現象がシミュレーションの形で表現できることが明らかになった。
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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
昨年度，トランスクリプトーム解析から，転写因子やイオンチャネル等をコードしている遺伝子の心臓部域別の発現パターンを分析することができ，心臓の部域特異性の確立，ペースメーカー機能，変調リズムの形成に関与することが期待される因子について，絞り込みを行うことができた。注目した遺伝子についてはin situ hybridizationで実際に遺伝子発現の差異を検出できた。この因子が発現している細胞がどのような細胞であるかをさらに分析している。現在は，注目している因子について，ゲノム編集技術等を使って遺伝子発現を減退させることで心臓の拍動にどのような影響が現れるかを検証している段階にあり，興味深い結果が得られ始めている。令和５年度の解析に大いにつながる成果を得ることができた。数理モデル解析によるシミュレーションの結果は，実際の観察と重ね合わせることができるものであり，自分たちの進む方向性が間違っていないことを自信を持って考えられるようになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
（1）ゲノム編集技術を用いて，注目した因子群がホヤの心臓拍動反転現象に対して担っている役割を解明する。
（2）注目している遺伝子の局所的強制発現実験を行い，ペースメーカーを非P領域に新たに生み出す実験を行う。
（3）二次メッセンジャーの濃度の変化をモニタリングし，また薬理学的にその濃度変化を攪乱することにより，心臓拍動へに対する二次メッセンジャーの役割を分析する。
（4）数理モデルと結び付けた分析を完成させる。
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| Causes of Carryover |
コロナウィルス感染拡大防止対応として，研究打ち合わせを対面ではなく，ウェブ会議方式で行ったため，旅費を使用しなかった。ただし，研究代表者の研究室の顕微鏡写真撮影装置が故障して，急遽これを更新したため，そのうちの多くを使用することになった。4万円ほど未使用金額が生じたが，次年度使用額として計上し，令和4年度に，さらに充実した解析を行うことに対してこの資金を活用していく。
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