2023 Fiscal Year Annual Research Report
光温度遺伝学を活用した生体の自律的パターン形成の解析
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22H02626
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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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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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 胚発生 / 非対称分裂 / 細胞極性 / 力刺激 / 温度遺伝学 / 線虫 / PAR複合体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生物は細胞集団の空間パターンをマクロスケールで秩序化することで、組織・器官の形と機能を作り出す。この細胞集団の秩序化では、細胞が力発生を感知・応答することで化学シグナル伝達を調節する「力学化学カップリング」を必要とすることが示されたが、その仕組みには不明な点が多い。生体で作用する力は直接可視化することができないので、生体内の力作用を計測・人為的操作するための新規技術が必要とされる。
本研究では、力発生の生理的役割を解明するための技術開発を目的とし、マイクロ流体デバイスと赤外域光照射による細胞内温度変化を利用して、力発生に関わる標的因子の機能を素早く阻害する「温度遺伝学法」を確立した。この手法では、細胞内局所の温度変化は超高速反応性温度感受性の遺伝子変異を導入した細胞骨格によって感知され、細胞内力発生の局所的変化へと変換される。この技術を活用して、線虫初期胚では多細胞期における非対称分裂を対象に、微小管およびアクチン骨格に由来した力発生が細胞と組織の空間パターン秩序化に及ぼす影響を解明することを目指す。
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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、力発生の生理的役割を解明するための技術開発を目的とし、マイクロ流体デバイスと赤外域光照射による細胞内温度変化を利用して、力発生に関わる標的因子の機能を素早く阻害する「温度遺伝学法」を確立した。この手法では、細胞内の温度変化は、超高速反応性温度感受性遺伝子変異を導入した細胞骨格分子によって感知され、細胞内における力発生の局所的変化へと変換される。II型ミオシンnmy-2(ne3409)・フォルミンcyk-1(or596)・微小管tba-1(or594)の温度感受性変異株では、人為的温度変化によって10秒以内に細胞骨格構造を阻害することが確認できた。中心体spd-2(or293)・ミッドボディcyk-4(or749)・PAR複合体par-2(or539)とpkc-3(ne4246)の温度感受性変異株でも、それぞれが関与する細胞内構造を迅速に阻害することが確認できた。
この技術を線虫胚の生殖細胞前駆体に利用することで、単細胞期（受精卵）および多細胞期（2－8細胞期）での非対称分裂空間パターンの秩序化において、微小管およびアクチン骨格に由来した力発生が及ぼす影響を検討した。これまでの実験から、生殖細胞前駆体における極性形成の開始とパターン形成は、受精卵と多細胞期胚で大きく異なることが示された。受精卵の非対称分裂は、アクチン骨格に依存するが微小管を必要としない。一方、2細胞期と4細胞期における非対称分裂パターンの形成・維持は、微小管の構造が必須な役割を担う。興味深いことに、これら多細胞期における生殖細胞前駆体の非対称分裂は、いずれも隣接細胞との物理的接触を必要としている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの実験結果から、多細胞期における非対称分裂パターンは「微小管を利用した細胞自律的な自己組織化」と「細胞非自律的な刺激」の統合によって秩序化している可能性が示唆された。この仮説を更に検討するために、本年度は温度遺伝学手法による生体内温度局所変化の空間的解像度を向上するための実験条件を検討する。先ず、生体内温度を定量的に計測するために、遺伝学的手法で導入可能な温度センサープローブを生殖細胞で発現させる形質転換体を作成し、温度遺伝学的手法を適応したときの細胞内温度変化の分布を計測する。更に、線虫初期胚で温度変化を局所に限定させるためのナノサイズ金粒子の導入を検討する。
多細胞期胚における非対称分裂では、生殖細胞前駆体における中心体と微小管の役割を明らかにし、隣接細胞からの細胞非自律的刺激の実態を解明することを目的とする。先ず、中心体・微小管・アクチン骨格の機能を、特異的な細胞周期時期に特定の細胞内部位で阻害することで、細胞骨格由来の力作用と細胞非対称化（PAR複合体および細胞質性運命決定因子）の時間・空間的な因果関係を明らかにする。更に、多細胞期胚における割球を単離・再結合するマニピュレーション技術を用いて、割球間の相互作用が機能する時期と位置を同定する。これらの体系的な実験アプローチを通して、多細胞期における非対称分裂パターン化機構の包括的な理解を目指す。
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