2021 Fiscal Year Research-status Report
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21KK0127
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
茂木 文夫 北海道大学, 遺伝子病制御研究所, 教授 (10360653)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西村 有香子 北海道大学, 遺伝子病制御研究所, 助教 (90360619)
木戸秋 悟 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (10336018)
柴田 達夫 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, チームリーダー (10359888)
多羅間 充輔 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, 基礎科学特別研究員 (90756834)
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| Project Period (FY) |
2021-10-07 – 2025-03-31
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| Keywords | 微小管 / 細胞極性 / メカノトランスダクション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生体内の細胞は、細胞内外に作用する機械的力を利用して、細胞極性の非対称パターンを獲得することが示されたが、この過程で力刺激を感知・応答する分子機構は未だに不明な点が多い。本研究は、細胞骨格である「微小管」のメカニクスを中心とするメカノトランスダクション機構が、細胞極性の非対称パターンを誘導する機構を包括的に理解することを目標とする。
本提案研究では、線虫初期胚とヒト培養細胞を対象とし、細胞内微小管の構造と機能を人為操作する実験手法を確立し、この微小管メカニクスの変動が細胞極性パターンの誘導と維持に及ぼす影響を高解像度ライブイメージングにより解析する。線虫初期胚では、細胞内温度変化によって微小管（チューブリン）、微小管形成中心（中心体）、または微小管モーター（ダイニン複合体）の機能を操作する株を作成し、温度変化と同時にライブイメージングを可能な実験系を確立した。ヒト培養細胞では、メカノトランスダクション構造である細胞接着斑と微小管の相互作用を操作する化学遺伝学手法を確立し、更にこの技術を改変した光遺伝学的手法を開発している。更に、細胞接着斑のメカノトランスダクション機能を操作するために、細胞外基質の機械的性質を微細加工する技術を構築している。今後はこれらの手法を組み合わせて、微小管と細胞外環境のメカニクスを人為操作する技術を確立し、微小管の高速高解像度ライブイメージングと画像解析・数理解析を融合した学際的研究戦略によって、細胞極性化における微小管メカニクスの生理的意義を解明する。
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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
１）線虫初期胚では、細胞内温度変化によって微小管（チューブリンTBA-1）、微小管形成中心（中心体SPD-2）、または微小管モーター（ダイニン複合体因子DNC-1）の機能を操作する株を作成し、温度変化と同時にライブイメージングを可能な実験系を確立した。顕微鏡ステージの15度（許容温度）から25度（非許容温度）への変化によって、受精卵およびその後の細胞分裂で形成される微小管紡錘体が阻害され、その高次構造と細胞内分布の異常によって細胞分裂を停止することが観察された。今後は細胞内温度変化の時空間解像度を向上させ、微小管構造の変化が多様な細胞種の非対称パターン化に及ぼす影響を解析する。
２）ヒト培養細胞では、接着斑と微小管の相互作用を操作する化学遺伝学手法を既に確立しており、現在はこれを改変した光遺伝学的手法を確立することで、接着斑と微小管の相互作用を操作する技術の時空間解像度を向上させる。また、接着斑と微小管の相互作用によって誘導される「微小管結合因子GEF-H1と微小管の結合」を可視化するための実験系を構築し、この細胞内動態をライブイメージングする条件を検討した。更に、接着斑のメカノトランスダクション機能を操作するために、細胞外基質の機械的性質を微細加工する技術を構築している。今後は、これらの手法を高速高解像度ライブイメージング・画像解析・数理解析と組み合わせた研究戦略によって、細胞極性化における微小管メカニクスの生理的意義を解明する。
当該年度は、感染症対策政策により日本からシンガポールへの移動が不可能であったため、国際共同研究者とはメールとオンラインを活用して今後の方針を議論した。
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| Strategy for Future Research Activity |
１）線虫初期胚では、細胞内温度変化によって微小管、微小管形成中心、または微小管モーターの機能を操作する株を確立したので、この微小管機能の操作を細胞内局所に応用するための光遺伝学実験系を確立する。更に、国立シンガポール大学の遠山祐典との共同研究によって、細胞内微小管繊維を局所的に破壊するUVレーザーによる顕微手術を導入し、微小管にかかる力（張力または応力）の計測と画像解析を行う。実験作業と画像解析については遠山研究チームで行い、力学の理論解析は共同研究者の柴田・多羅間と遂行する。
２）GEF-H1は「微小管の機械的性質を認識するメカノセンサー」として機能すると示唆されるため、接着斑連結の微小管に掛かる力を測定し、GEF-H1が微小管の機械的性質によって制御されるかを検証する。微小管にかかる力刺激は、UVレーザーによる顕微手術（西村・遠山）と微小管フィラメントの形態・曲率の画像解析から数理モデルを用いて推定する（柴田・多羅間）。細胞内の微小管繊維にかかる力を測定し、それぞれの微小管繊維に対するGEF-H1の結合親和性を「GEF-H1動態の一分子解析」（西村・Bershadsky）によって定量解析する。また、細胞外基質の微細加工を応用してdurotaxisを誘導する系（木戸秋）を利用し、微小管による接着斑制御のメカノ環境センシングにおける役割を検証する。
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| Causes of Carryover |
2021年度はcovid-19感染症対策政策で、シンガポール・日本各地への旅行が困難であったため、旅費を使用することができなかった。海外への移動規制が撤廃された場合には、次年度使用額と翌年度の助成金を合わせて旅費として使用することを計画している。
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Research Products
(7 results)
