細胞－細胞小器官－分子の階層を貫く流れ刺激感知の力学的理解

• Project/Area Number: 17J03032
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 牧 功一郎 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: バイオメカニクス / クロマチン / メカノトランスダクション / 静水圧 / 軟骨細胞 / 細胞周期 / 幹細胞 / メカノバイオロジー / DNA損傷 / 関節軟骨 / 材料力学 / 機械工学 / １分子 / 生物物理

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，関節軟骨における主たる力学刺激である静水圧が軟骨細胞のクロマチンおよび遺伝子発現に与える影響を明らかにすることを目的として、東京大学大学院工学系研究科およびヘルシンキ大学ライフサイエンス研究所において研究を進めた．
東京大学における検討においては，軟骨細胞様細胞株として広く用いられるATDC5細胞が，静水圧（Hydrostatic pressure; HP）のもとでDNA損傷を生じることを明らかにした．さらに，静水圧のもとでヒストンのメチル化（H3K9me2,3）が抑制されることを見出した．これらの観察を説明づける一連の分子メカニズムを探るため，ヘルシンキ大学ライフサイエンス研究所Sara Wickstrom教授との共同研究をスタートし，2018年4月より2019年9月まで，ヘルシンキ大学にて実験検討を行ってきた．まず，マウスの大腿骨頭から軟骨細胞を単離し，細胞株化した．この細胞株は，ATDC5細胞に比して極めて高い軟骨細胞マーカーの発現を示した．樹立した細胞株に対して周期的な静水圧を負荷した．その結果，ヒストンのメチル化（H3K9me3）が抑制されること，クロマチンのアクセシビリティが増加すること，転写が活性化すること，さらに，DNA損傷を介してDNA複製が抑制されることなどが明らかとなった（論文投稿中）．
軟骨細胞が示したこれらの応答は，静水圧の作用下における遺伝子発現の制御において重要な役割を果たしていると考えられる．今後の方向性として，クロマチンの構造変化を介した遺伝子発現の変化を探るため，ATAC シーケンシングが考えられる．現在は，東京大学との共同研究において，静水圧作用下のクロマチン構造変化および転写をモニタリングするための装置および可視化手法の開発を継続しており，静水圧のもとで生じる最上流の応答を解明することを目指している．

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Helsinki/Helsinki Institute of Life Science(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] Helsinki Institute of Life Science(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University of Sheffield(英国)
• [Journal Article] 特集 メカノバイオロジー Ⅰ.細胞･組織の力学特性の計測 AFMによる1分子レベルのメカノトランスダクション機構の解明 (2019)
  • Author(s): 牧功一郎，安達泰治
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 70 Issue: 4 Pages: 267-272
  • DOI: 10.11477/mf.2425200997
  • ISSN: 0370-9531, 1883-5503
  • Year and Date: 2019-08-15
• [Journal Article] Hyaluronic acid selective anchoring to the cytoskeleton: An atomic force microscopy study (2018)
  • Author(s): Stefania Marcotti, Koichiro Maki, Gwendolen C. Reilly, Damien Lacroix, Taiji Adachi
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 13 Issue: 10 Pages: e0206056-e0206056
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0206056
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Real-time TIRF observation of vinculin recruitment to stretched α-catenin by AFM. (2018)
  • Author(s): Maki, K., Han, S. -U., Hirano, Y., Yonemura, S. Hakoshima, T. and Adachi, T.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 1575-1575
  • DOI: 10.1038/s41598-018-20115-8
  • NAID: 120006517895
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of Mechanical Stress on Cells (2017)
  • Author(s): Milos Spasic, Koichiro Maki, Florian A. Herzog and Christopher R. Jacobs
  • Journal Title: Comprehensive Biomaterials 2nd Edition Volume: 2 Pages: 102-114
  • DOI: 10.1016/b978-0-12-803581-8.10158-4
  • ISBN: 9780081006924
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 張力感知分子およびクロマチンを介したメカノトランスダクション (2019)
  • Author(s): 牧功一郎
  • Organizer: 京都大学ウイルス・再生医科学研究所 個体の中の細胞社会学ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 静水圧が軟骨細胞のクロマチン構造に及ぼす効果－複製ストレスを防ぐ仕組み (2019)
  • Author(s): 牧功一郎
  • Organizer: 細胞集団運動の統合的理解に向けたメカノバイオロジー研究の国際共同ネットワーク構築 セミナー「メカノバイオロジー研究を学ぶ, 2019」
  • Invited
• [Presentation] 静水圧によるクロマチン・遺伝子転写・複製の制御メカニズム (2019)
  • Author(s): 牧功一郎 古川克子 牛田多加志 Sara A. Wickstrom
  • Organizer: 日本機械学会 第３２回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] Nucleo-mechanoresponse of murine chondrocyte (2018)
  • Author(s): Koichiro Maki
  • Organizer: Biomechanics seminar in Institute for Frontier Life and Medical Sciences
  • Invited
• [Presentation] DNA breaks in chondrocyte progenitor cells under cyclic hydrostatic pressure (2018)
  • Author(s): Koichiro Maki, Katsuko Furukawa, Takashi Ushida
  • Organizer: The 8th World Congress of Biomechanics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 静水圧による軟骨細胞のDNA損傷とクロマチン構造との関わり (2018)
  • Author(s): 牧功一郎，古川克子，牛田多加志
  • Organizer: 第7回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] Mechanical characterization of tension-sensitive helix bundles in talin rod by nano-tensile testing (2017)
  • Author(s): Koichiro Maki, Nobuhiko Nakao, Taiji Adachi
  • Organizer: 23rd Congress of the European Society of Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Outside-in シグナルを介して成熟する接着分子複合体のナノ力学挙動解析 (2017)
  • Author(s): 仲尾信彦，牧功一郎，安達泰治
  • Organizer: 日本機械学会 2017年度年次大会
• [Presentation] Monitoring vinculin association with α-catenin under tension by AFM-TIRF system (2017)
  • Author(s): Koichiro Maki, Taiji Adachi
  • Organizer: The 5th Switzerland-Japan Workshop on Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of mechanical behaviors of maturating focal complex by nano-tensile testing (2017)
  • Author(s): Nobuhiko Nakao, Koichiro Maki, Taiji Adachi
  • Organizer: The 5th Switzerland-Japan Workshop on Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 静水圧負荷が軟骨細胞のDNA損傷に及ぼす影響に関する検討 (2017)
  • Author(s): 牧功一郎，古川克子，牛田多加志
  • Organizer: 日本機械学会 第30回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] 形成初期における細胞接着分子構造体のナノ引張特性 (2017)
  • Author(s): 仲尾信彦，牧功一郎，安達泰治
  • Organizer: 日本機械学会 第30回バイオエンジニアリング講演会
• [Book] 生体の科学 (2019)
  • Author(s): 牧功一郎，安達泰治
  • Total Pages: 8
  • Publisher: 医学書院