生物運動の制御基盤；化学力学フィードバックループ

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22227005
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 石渡 信一 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (10130866)
• Project Period (FY): 2010-05-31 – 2015-03-31
• Keywords: 生体分子モーター / 化学力学フィードバック / 筋収縮系自励振動 / 細胞分裂機構 / 生物運動制御

Research Abstract

１）本基盤研究Sの中心課題の一つであるSPOC研究では、“単位モデル”を弾性的に連結した“連結モデル”に拡張し、実験観察で得られた全てのSPOC特性を再現できる１次元筋原線維モデルを完成した（Satoら、PRL.2013）。特に、３つの常微分方程式を１つの位相方程式に集約することができ、モデルの数理的構造を明らかにした。２）ラットの幼若心筋細胞内で、筋原線維内Z線の主要構成タンパク質α-アクチニンにGFPを融合したものを遺伝子発現し、生きた細胞内でのサルコメア長のナノメトリーを実現。自発拍動中での各サルコメアの振動を定量的に（数nmの精度で）記録することに成功した（Shintaniら、J.Gen.Physiol.2014）。３）１分子研究では、Formin存在下でのアクチン重合の１分子解析を終え、一分子ずつの重合過程を捉えた上で、Forminの機能モデルを作ることができた（論文作成中）。４）Xenopus卵抽出液中で自己集合した紡錘体のミクロ力学に関して、一対の微小ガラス針を用いた変形実験の解析から、紡錘体の粘弾性モデルを構築した（Takagiら、Cell Rep.2013,2014）。さらに、Xkidの紡錘体内での動態を1分子イメージングし、Xkidが染色体を紡錘体の中心面に集める役割を担うことを証明した（Takagiら、Sci.Rep.2013）。５）細胞内の温度分布イメージングについては、レシオ型のナノ温度計を開発し、細胞内での絶対温度の計測を実現した（Takeiら、ACS Nano,2013）。６）油中液滴や単層リポソームという微小空間内にアクチンフィラメント＋ミオシンを封入することによって、球形の液滴中の真ん中にアクチンバンドルが形成され、ATP存在下ではそれが収縮することを明らかにした。これは細胞質分裂を担う収縮環のモデル系ともいえる（論文２編投稿中）。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

横紋筋収縮系（1次元）の自励振動（SPOC）現象の理論構築、ラットの心筋細胞・幼若心筋細胞やヒト心筋筋原線維の振動解析と温度依存性などのSPOC研究が順調に進んでいる。１分子計測は、アクチン・微小管系分子モーターの運動解析や、アクチン重合の１分子解析が進展。細胞分裂や染色体分配装置・紡錘体のミクロ力学や力刺激による機能・形態制御の研究も進展。熱刺激法や“歩くナノ温度計”による細胞内局所温度の計測も大きく展開。

Strategy for Future Research Activity

基盤Sの研究も残すところあと１年。当初の目標である「生物運動系の各階層に特徴的なChemo-Mechanical Feedback Loop　（CMF loop）のあり方の解明」と、「階層間の連携の仕組みの解明」に向けて、１分子系、分子集合体系（人工構築系：自発運動能をもつ人工細胞系）、筋収縮系、そして心拍に至る心臓の階層構造におけるCMFループの解明と、細胞分裂・染色体分配（紡錘体）系を含む、生物運動に共通するメカニズムに着目した研究をまとめたい（出来るだけ多くの論文を発表）。さらに、本基盤S研究で大きく進展したのは、細胞機能への熱パルス刺激の応答性と、熱刺激法を人工再構成系や筋収縮系への応用である。これも、新たな研究面の開拓という、基礎科学研究を推進すべき基盤研究の目標の一つとして、その成果を公表することによって、世に問いたい。

Research Products

• [Journal Article] "Characterization of Olig2 expression during cerebellar development" (2014)
  • Author(s): Seto, Y., Ishiwata, S., and Hoshino, M.
  • Journal Title: Gene Expression Patterns Volume: 15 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1016/j.gep.2014.02.001.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] "Sarcomere length nanometry in rat neonatal cardiomyocytes expressed with α-actinin-AcGFP in Z-discs" (2014)
  • Author(s): Shintani, S., Oyama, K., Kobirumaki, F., Shimozawa, F., Ohki, T., Ishiwata, S., and Fukuda, N.
  • Journal Title: J. Gen. Physiol. Volume: 143 Pages: 513-524
  • DOI: 10.1085/jgp.201311118
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] "Temporal identity transition from Purkinje cell progenitors to GABAergic interneuron progenitors in the cerebellum" (2014)
  • Author(s): Seto, Y., Nakatani, T., Masuyama, N., Taya, S., Kumai, M., Minaki, Y., Hamaguchi, A., Inoue, Y., Inoue, T., Miyashita, S., Fujiyama, T., Yamada, M., Chapman, H., Campbell, K. J., Magnuson, M. A., Wright, C. V., Kawaguchi, Y., Ikenaka, K., Takebayashi, H., Ishiwata, S., Ono, Y., and Hoshino, M.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 5 Pages: 3337
  • DOI: 10.1038/ncomms4337
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] "Micromechanics of the vertebrate meiotic spindle examined by stretching along the pole-to-pole axis" (2014)
  • Author(s): Takagi, J., Itabashi, T., Suzuki, K., Shimamoto, Y., Kapoor, TM., and Ishiwata S.
  • Journal Title: Biophys. Ｊ. Volume: 106 Pages: 735-740
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2013.12.033.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] "A nanoparticle-based ratiometric and self-calibrated fluorescent thermometer for single living cells" (2013)
  • Author(s): Takei, Y., Arai, S., Murata, A., Takabayashi, M., Oyama, K., Ishiwata, S., Takeoka, S., and Suzuki M.
  • Journal Title: ACS Nano. Volume: 8 Pages: 198-206
  • DOI: 10.1021/nn405456e.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] "Using micromanipulation to analyze control of vertebrate meiotic spindle size" (2013)
  • Author(s): Takagi, J., Itabashi, T., Suzuki, K., Kapoor, T.M., Shimamoto, Y., and Ishiwata, S.
  • Journal Title: Cell Rep. Volume: 5 Pages: 44-50
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2013.09.021.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] "Chromosome position at the spindle equator is regulated by chromokinesin and a bipolar microtubule array" (2013)
  • Author(s): Takagi, J.,Itabashi, T.,Suzuki, K., and ,Ishiwata, S.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 3 Pages: 2808
  • DOI: 10.1038/srep02808.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] “Locally and globally coupled oscillators in muscle" (2013)
  • Author(s): Sato, K., Kuramoto, Y., Ohtaki, M., Shimamoto, Y., and Ishiwata S.
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 111 Pages: 108104
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.108104.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] "NF-κB-dependent and -independent pathways in the protective effects of activated protein C in hippocampal and cortical neurons at excitotoxicity" (2013)
  • Author(s): Gorbacheva, L., Strukova, S., Pinelis, V., Ishiwata, S., Stricker, R., and Reiser G.
  • Journal Title: Neurochem. Intl. Volume: 63 Pages: 101-111
  • DOI: 10.1016/j.neuint.2013.05.008.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] "Responses of chromosome segregation machinery to mechanical perturbations" (2013)
  • Author(s): Itabashi, T., Takagi, J., Suzuki, K., and Ishiwata, S.
  • Journal Title: BIOPHYSICS Volume: 9 Pages: 73-78
  • DOI: 10.2142/biophysics.9.73.
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 「局所熱パルス法を用いて細胞の温度感受性を解明する」 (2014)
  • Author(s): 大山廣太郎、新谷正嶺、伊藤秀城、石井秀弥、福田紀男、鈴木団、石渡信一
  • Organizer: 第91回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島
  • Year and Date: 20140316-20140318
• [Presentation] 「高速ライブイメージングを用いたマウス in vivo 単一サルコメア計測」 (2014)
  • Author(s): 小比類巻生、大山廣太郎、広川恵里沙、下澤東吾、照井貴子、南沢享、 石渡信一、福田紀男
  • Organizer: 第91回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島
  • Year and Date: 20140316-20140318
• [Presentation] 「Yellow Cameleon-Nano を用いたラット幼若心筋細胞のサルコメア長とカルシウムの同時観測」 (2014)
  • Author(s): 塚本精一、大山廣太郎、新谷正嶺、小比類巻生、石渡信一、福田紀男
  • Organizer: 第91回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島）2014.03.16-18.
  • Year and Date: 20140316-20140318
• [Presentation] 「α-actinin-AcGFP を Z 線に発現させた心筋細胞におけるサルコメア長のナノ精度計測」 (2014)
  • Author(s): 新谷.正嶺、大山廣太郎、大木高志、石渡信一、福田紀男
  • Organizer: 第91回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 鹿児島
  • Year and Date: 20140316-20140318
• [Presentation] 「細胞サイズ液滴内でのアクトミオシンリングの自発形成と収縮」 (2014)
  • Author(s): 宮崎牧人、千葉雅隆、大木高志、石渡信一
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議
  • Place of Presentation: 千葉
  • Year and Date: 20140110-20140112
• [Presentation] 「Forminの動きを顕微解析しアクチンのステップ状重合を捉える」 (2014)
  • Author(s): 久保田寛顕、宮崎牧人、小川泰策、木下一彦、石渡信一
  • Organizer: 生体運動合同班会議
  • Place of Presentation: 千葉）2014.01.10-12
  • Year and Date: 20140110-20140112
• [Presentation] 「紡錘体の構造ダイナミクスを探る」 (2013)
  • Author(s): 板橋岳志、高木潤、鈴木和也、石渡信一
  • Organizer: 第36回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 20131203-20131206
• [Presentation] 「小脳抑制性神経細胞の多様性を生み出す分子機構Temporal identity transition of GABAergic neuron progenitors in the cerebellum.」 (2013)
  • Author(s): 瀬戸裕介、中谷智哉、増山典久、田谷真一郎、熊井実、皆木康子、浜口晶子、井上由紀子、井上高良、藤山知之、山田真弓、Magnuson Mark、川口義弥、池中一裕、竹林浩秀、石渡信一、尾野雄一、星野幹雄
  • Organizer: 第36回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 20131203-20131206
• [Presentation] “Real-time high-resolution cardiac imaging in vivo.” (2013)
  • Author(s): Kobirumaki-Shimozawa, F., Oyama, K., Shintani, S., Hirokawa, E., Shimozawa, T., Terui, T., Ishiwata, S., and Fukuda, N.
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 京都.
  • Year and Date: 20131028-20131030
• [Presentation] 「高精度計測によるラット幼若心筋細胞内サルコメア自励振動特性の解明」 (2013)
  • Author(s): 新谷正嶺、大山廣太郎、石渡信一、福田紀男
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20131028-20131030
• [Presentation] 「細胞内熱伝導率マッピング」 (2013)
  • Author(s): 関口卓、大山廣太郎、伊藤秀城、鈴木団、石渡信一
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20131028-20131030
• [Presentation] 「ヒト遺伝性難聴(DFNA20/26)γアクチン変異体とミオシンとの相互作 (2013)
  • Author(s): 大木高志、石渡信一
  • Organizer: 日本生物物理学会第５１回年会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20131028-20131030
• [Presentation] “Simultaneous imaging of intracellular Ca2+ and sarcomere length in neonatal cardiomyocytes via expression of cameleon-Nano in Z-discs” (2013)
  • Author(s): Tsukamoto, S., Oyama, K., Shintani, S., Kobirumaki, F., Ishiwata, S., and Fukuda, N.
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20131028-20131030
• [Presentation] 「横紋筋筋原線維SPOCの動的特性に関するモデルシミュレーション」 (2013)
  • Author(s): 中込 攻太郎、佐藤 勝彦、石渡信一
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20131028-20131030
• [Presentation] “Self-organized pattern formation by actomyosin mixtures in a cell-size confied space” (2013)
  • Author(s): Miyazaki, M., Chiba, M., Eguchi, H., Ishiwata, S.
  • Organizer: Biophysical Society of Japan 51th Annual Meeting, Kyoto
  • Place of Presentation: Kyoto
  • Year and Date: 20131028-20131030
• [Presentation] "Analysis of flexibility and curvature of tropomyosin by molecular dynamics simulation" (分子動力学シミュレーションを用いたトロポミオシンの柔軟性および屈曲性の解析) (2013)
  • Author(s): Ozawa, H., Ochiai, Y., Umezawa, K., Ishiwata, S., Takano, M.
  • Organizer: 日本生物物理学会 第51回年会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20131028-20131030
• [Presentation] 「アクチンフィラメントの作る二次元ネットワーク構造の動態と制御」 (2013)
  • Author(s): 江口宙輝、宮崎牧人、千葉雅隆、大木高志、石渡信一
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20131028-20131030
• [Presentation] 「HeLa細胞内の熱伝導性マッピング」 (2013)
  • Author(s): 関口卓、大山廣太郎、伊藤秀城、鈴木団、石渡信一
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20131028-20131030
• [Presentation] 「有糸分裂中期に観察される染色体振動の分析」 (2013)
  • Author(s): 中山馨太、高木潤、板橋岳志、石渡信一
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20131028-20131030
• [Presentation] 「ミオシンV分子モーターの運動性に対するUV照射の作用」 (2013)
  • Author(s): Seitaro Sano, Hirioki Kubota, Takeshi Ohki, Shin’ichi Ishiwata.
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20131028-20131030
• [Presentation] 「分子シミュレーションを用いた筋肉トロポミオシン断片の局所構造解析」 (2013)
  • Author(s): 小澤秀夫、梅澤公二、高野光則、石渡信一、渡部終五、落合芳博
  • Organizer: 2013年度日本水産学会秋季大会
  • Place of Presentation: 三重
  • Year and Date: 20130919-20130922
• [Presentation] “Characterization of Molecular Motors in vitro and in a Cell” (2013)
  • Author(s): Ishiwata, S.
  • Organizer: The 22nd French Phys. Soc.
  • Place of Presentation: France, Marseille
  • Year and Date: 20130701-20130705
  • Invited
• [Presentation] 「nm精度のサルコメア収縮動態イメージングによる新規実験系の構築」 (2013)
  • Author(s): 新谷正嶺、大山廣太郎、大木高志、石渡信一、福田紀男
  • Organizer: ナノ学会第11回大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130606-20130608
• [Presentation] “Physical Characteristics of Protein Motors”
  • Author(s): Ishiwata, S.
  • Organizer: IEEE NMDC 2013,
  • Place of Presentation: Taiwan, Tainan
  • Invited
• [Presentation] “Mechanical and Thermal Regulation of Cellular Functions”
  • Author(s): Ishiwata, S.
  • Organizer: International Workshop on Cryo-Electron Microscopy and Nano/Micro Medical Treatment
  • Place of Presentation: NCKU Coll. Med., Tainan.
  • Invited
• [Presentation] “Microscopic Imaging Study on Chemo-mechanical Properties of Biomotile Systems”
  • Author(s): Ishiwata, S.
  • Organizer: Joint Symposium between Singapore Polytechnic and Waseda University on Bioimaging
  • Place of Presentation: Singapore
  • Invited
• [Presentation] “Regulation of cellular functions by heat pulse and mechanical impulse”
  • Author(s): Ishiwata, S.
  • Organizer: Institute Curie Seminar
  • Place of Presentation: France, Paris
  • Invited
• [Presentation] “Mechanical and thermal regulation of cellular functions”
  • Author(s): Ishiwata, S.
  • Organizer: NCHU, Dept. Life Sciences
  • Place of Presentation: Taichung
  • Invited
• [Presentation] 「筋収縮系の自励振動（SPOC）現象と生理的意義」
  • Author(s): 石渡信一
  • Organizer: イノバイオ研究会「細胞機能究明の最前線３」
  • Place of Presentation: 東京大学工学部２号館232号講義室
  • Invited
• [Presentation] 「中期紡錘体の力学特性と、染色体結合キネシンXkidの紡錘体内における動態」
  • Author(s): 高木 潤
  • Organizer: イノバイオ研究会「細胞機能究明の最前線4」
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 「ラット幼若心筋細胞におけるサルコメア動態のナノレベル解析」
  • Author(s): 新谷正嶺、福田紀男、石渡信一
  • Organizer: 筋生理の集い
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 「筋収縮系の自励振動現象(SPOC)」
  • Author(s): 新谷正嶺、戸次直明、石渡信一
  • Organizer: 森和英記念計算科学研究会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 「単層サルコメア集団の振動ダイナミクス観測系」
  • Author(s): 新谷正嶺、戸次直明、石渡信一
  • Organizer: 平成２５年度統計数理研究所共同研究集会 ダイナミカルバイオインフォマテイックスの展開II
  • Place of Presentation: 茨城