物理計測と理論モデル構築によるクロマチンポテンシャルの理解

• 研究領域: 遺伝子制御の基盤となるクロマチンポテンシャル
• 研究課題/領域番号: 18H05529
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 国立遺伝学研究所
• 研究代表者: 木村 暁 国立遺伝学研究所, 遺伝メカニズム研究系, 教授 (10365447)
• 研究分担者: 坂上 貴洋 青山学院大学, 理工学部, 教授 (30512959)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 117,650千円 (直接経費: 90,500千円、間接経費: 27,150千円); 2022年度: 21,060千円 (直接経費: 16,200千円、間接経費: 4,860千円); 2021年度: 21,060千円 (直接経費: 16,200千円、間接経費: 4,860千円); 2020年度: 21,060千円 (直接経費: 16,200千円、間接経費: 4,860千円); 2019年度: 21,060千円 (直接経費: 16,200千円、間接経費: 4,860千円); 2018年度: 33,410千円 (直接経費: 25,700千円、間接経費: 7,710千円)
• キーワード: 細胞核 / クロマチン構造 / ポリマー物理学 / 線虫 / 発生 / クロマチン / 粘弾性 / 転写制御

研究成果の概要

本計画研究では、転写のされやすさの潜在性に関与すると思われる核内でのクロマチンの運動性について、細胞核の大きさの関数として定式化することに成功した(Phys Rev Lett, 2022)。この「クロマチン運動方程式」と名付けた方程式はポリマー物理学に基づくものであり、生きた細胞内でのクロマチンの挙動を物理学的に説明できることを示した重要な成果である。本成果は、研究代表者である木村暁らによる物理計測と、分担者である坂上による理論モデル構築を、相互にフィードバックさせながら共同研究を進めたことによって初めて達成が可能になったものであり、領域を組織した意義を示すものでもある。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究成果の学術的意義は、生きた細胞内でのクロマチンの運動をポリマー物理学の理論で定式化できたことにある。これにより、本研究に用いた線虫初期胚以外の細胞核におけるクロマチンの運動性を予測することが可能となる。今後、この方程式の普遍性を検討し、方程式に従わないクロマチンの運動について集中的に解析することにより運動制御のさらなる理解につながる。また、この方程式を基盤として、クロマチンポテンシャルの他の性質をクロマチンの状態の関数として定式化することにつながると期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] Marine Biological Laboratory(米国)
• [国際共同研究] Bayreuth University(ドイツ)
• [国際共同研究] KU Leuven(ベルギー)
• [国際共同研究] National University of Singapore(シンガポール)
• [国際共同研究] KU Leuven(ベルギー)
• [国際共同研究] University of Edinburgh(英国)
• [国際共同研究] KU Leuven(ベルギー)
• [国際共同研究] University of Edinburgh(英国)
• [国際共同研究] KU Leuven/Hasselt University(ベルギー)
• [国際共同研究] Marine Biological Laboratory(米国)
• [国際共同研究] Bayreuth University(ドイツ)
• [雑誌論文] Coarse Graining DNA: Symmetry, Non-local Elasticity and Persistence Length (2023)
  • 著者名/発表者名: Y.A.G. Fosado, F. Landuzzi, T. Sakaue
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 130 号: 5 ページ: 058402-058402
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.058402
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A force balance model for a cell size‐dependent meiotic nuclear oscillation in fission yeast (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikumi Fujita, Akatsuki Kimura, Akira Yamashita
  • 雑誌名: EMBO reports 巻: 24 号: 3
  • DOI: 10.15252/embr.202255770
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 環状高分子間の貫通に対するパーシステントホモロジー (2022)
  • 著者名/発表者名: 中村 壮伸、坂上 貴洋
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 77 号: 8 ページ: 523-528
  • DOI: 10.11316/butsuri.77.8_523
  • ISSN: 0029-0181, 2423-8872
  • 年月日: 2022-08-05
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formulation of Chromatin Mobility as a Function of Nuclear Size during C. elegans Embryogenesis Using Polymer Physics Theories (2022)
  • 著者名/発表者名: Yesbolatova Aiya K.、Arai Ritsuko、Sakaue Takahiro、Kimura Akatsuki
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 128 号: 17 ページ: 178101-178101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.128.178101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sequential accumulation of dynein and its regulatory proteins at the spindle region in the Caenorhabditis elegans embryo (2022)
  • 著者名/発表者名: Torisawa Takayuki、Kimura Akatsuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 11740-11740
  • DOI: 10.1038/s41598-022-15042-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The extra-embryonic space and the local contour are crucial geometric constraints regulating cell arrangement (2022)
  • 著者名/発表者名: Seirin-Lee Sungrim、Yamamoto Kazunori、Kimura Akatsuki
  • 雑誌名: Development 巻: 149 号: 9
  • DOI: 10.1242/dev.200401
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] How enzymatic activity is involved in chromatin organization (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Das, T. Sakaue, G.V. Shivashankar, J. Prost and T. Hiraiwa
  • 雑誌名: eLife 巻: 11
  • DOI: 10.7554/elife.79901
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanical properties of nucleic acids and the non-local twistable wormlike chain model (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Segers, A. Voorspoels, T. Sakaue and E. Carlon
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 巻: 156 号: 23 ページ: 234105-234105
  • DOI: 10.1063/5.0089166
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Scaling Relationship in Chromatin as a Polymer (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakaue Takahiro、Kimura Akatsuki
  • 雑誌名: Results Probl Cell Differ 巻: 70 ページ: 263-277
  • DOI: 10.1007/978-3-031-06573-6_8
  • ISBN: 9783031065729, 9783031065736
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Entanglement in Solution of Non-concatenated Rings (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakaue Takahiro、Michieletto Davide
  • 雑誌名: Topological Polymer Chemistry 巻: - ページ: 355-363
  • DOI: 10.1007/978-981-16-6807-4_22
  • ISBN: 9789811668067, 9789811668074
  • 国際共著
• [雑誌論文] Quantifying the mobility of chromatin during embryogenesis: Nuclear size matters (2021)
  • 著者名/発表者名: Aiya K. Yesbolatova, Ritsuko Arai, Takahiro Sakaue, Akatsuki Kimura
  • 雑誌名: arXiv 巻: -
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Sequential accumulation of dynein and its regulatory proteins at the spindle region in the Caenorhabditis elegans embryo (2021)
  • 著者名/発表者名: Torisawa Takayuki、Kimura Akatsuki
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: -
  • DOI: 10.1101/2021.09.14.460385
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] The extra-embryonic space is a geometric constraint regulating cell arrangement in nematodes (2021)
  • 著者名/発表者名: Seirin-Lee Sungrim、Kimura Akatsuki
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: -
  • DOI: 10.1101/2021.06.12.448179
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Slow chromatin dynamics enhances promoter accessibility to transcriptional condensates (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Tetsuya、Sakaue Takahiro、Schiessel Helmut
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 49 号: 9 ページ: 5017-5027
  • DOI: 10.1093/nar/gkab275
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fold analysis of crumpled sheets using microcomputed tomography (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayase Yumino、Aonuma Hitoshi、Takahara Satoshi、Sakaue Takahiro、Kaneko Shun'ichi、Nakanishi Hiizu
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 104 号: 2 ページ: 025005-025005
  • DOI: 10.1103/physreve.104.025005
  • 査読あり
• [雑誌論文] How enzymatic activity is involved in chromatin organization? (2021)
  • 著者名/発表者名: Das R, Sakaue T, Shivashankar G V, Prost J, Hiraiwa T
  • 雑誌名: arXiv 巻: -
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Twist dynamics and buckling instability of ring DNA: the effect of groove asymmetry and anisotropic bending (2021)
  • 著者名/発表者名: Gutierrez Fosado Yair Augusto、Landuzzi Fabio、Sakaue Takahiro
  • 雑誌名: Soft Matter 巻: 17 号: 6 ページ: 1530-1537
  • DOI: 10.1039/d0sm01812k
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantifying the mobility of chromatin during embryogenesis: Nuclear size matters. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yesbolatova Aiya K.、Arai Ritsuko、Sakaue Takahiro、Akatsuki Kimura.
  • 雑誌名: arXiv 巻: -
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Cytoplasmic streaming drifts the polarity cue and enables posteriorization of theCaenorhabditis eleganszygote at the side opposite of sperm entry (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura Kenji、Kimura Akatsuki
  • 雑誌名: Molecular Biology of the Cell 巻: 31 号: 16 ページ: 1765-1773
  • DOI: 10.1091/mbc.e20-01-0058
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Persistence homology of entangled rings (2020)
  • 著者名/発表者名: Landuzzi Fabio、Nakamura Takenobu、Michieletto Davide、Sakaue Takahiro
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 3 ページ: 033529-033529
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.033529
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamical Entanglement and Cooperative Dynamics in Entangled Solutions of Ring and Linear Polymers (2020)
  • 著者名/発表者名: Michieletto Davide、Sakaue Takahiro
  • 雑誌名: ACS Macro Letters 巻: 10 号: 1 ページ: 129-134
  • DOI: 10.1021/acsmacrolett.0c00551
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Generation of Dynein Networks by Multi-Layered Regulation and Their Implication in Cell Division (2020)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Torisawa and Akatsuki Kimura
  • 雑誌名: Frontiers in Cell and Developmental Biology 巻: 8 ページ: 1-13
  • DOI: 10.3389/fcell.2020.00022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Physics of chromatin dynamics at the 57th Biophysical Society of Japan meeting. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuma Ito、Akatsuki Kimura
  • 雑誌名: Biophys Rev 巻: - 号: 2 ページ: 265-266
  • DOI: 10.1007/s12551-020-00642-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Transition path times in asymmetric barriers (2020)
  • 著者名/発表者名: Caraglio Michele、Sakaue Takahiro、Carlon Enrico
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 22 号: 6 ページ: 3512-3519
  • DOI: 10.1039/c9cp05659a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Stabilization of a straight longitudinal dune under bimodal wind with large directional variation (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakao-Kusune Sachi、Sakaue Takahiro、Nishimori Hiraku、Nakanishi Hiizu
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 101 号: 1 ページ: 012903-012903
  • DOI: 10.1103/physreve.101.012903
  • 査読あり
• [雑誌論文] Loop extrusion drives very different dynamics for Rouse chains in bulk solutions and at interfaces (2019)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Yamamoto, Takahiro Sakaue, and Helmut Schiessel
  • 雑誌名: Europhysics Letters 巻: 127 号: 3 ページ: 38002-38002
  • DOI: 10.1209/0295-5075/127/38002
  • NAID: 120006771420
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Choice between 1- and 2-furrow cytokinesis in Caenorhabditis elegans embryos with tripolar spindles (2019)
  • 著者名/発表者名: Kondo Tomo、Kimura Akatsuki
  • 雑誌名: Molecular Biology of the Cell 巻: 30 号: 16 ページ: 2065-2075
  • DOI: 10.1091/mbc.e19-01-0075
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Statistical physics of ring polymers based on topological volume concept (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakaue Takahiro
  • 雑誌名: Reactive and Functional Polymers 巻: 134 ページ: 150-155
  • DOI: 10.1016/j.reactfunctpolym.2018.11.017
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Active dynamics and spatially coherent motion in chromosomes subject to enzymatic force dipoles (2019)
  • 著者名/発表者名: Put Stefanie、Sakaue Takahiro、Vanderzande Carlo
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 99 号: 3 ページ: 032421-032421
  • DOI: 10.1103/physreve.99.032421
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Memory and Active Forces on Transition Path Time Distributions (2018)
  • 著者名/発表者名: Carlon E.、Orland H.、Sakaue T.、Vanderzande C.
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 122 号: 49 ページ: 11186-11194
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b06379
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Topological free volume and quasi-glassy dynamics in the melt of ring polymers (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakaue Takahiro
  • 雑誌名: Soft Matter 巻: 14 号: 36 ページ: 7507-7515
  • DOI: 10.1039/c8sm00968f
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Inferring Active Noise Characteristics from the Paired Observations of Anomalous Diffusion (2018)
  • 著者名/発表者名: Saito Takuya、Sakaue Takahiro
  • 雑誌名: Polymers 巻: 11 号: 1 ページ: 2-2
  • DOI: 10.3390/polym11010002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Quantification and modeling of chromatin dynamics inside the living cell. (2022)
  • 著者名/発表者名: Akatsuki Kimura
  • 学会等名: 9th World Congress of Biomechanics 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] First passage statistics of non-Markovian walkers: Onsager's regression hypothesis approach. (2022)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Sakaue
  • 学会等名: The 3rd Workshop on Stochasticity and Fluctuations in Small Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Phase separation in soft-repulsive mixtures: implication for chromatin organization. (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂上貴洋
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Chromatin dynamics in C-elegans embryo: polymer physics approach. (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂上貴洋
  • 学会等名: 第3回生体分子シミュレーション・モデリング研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞核内での染色体の動きの定式化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木村暁
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Theoretical studies on macrophase separation in systems composed of two solutes and one solvent using a solvent-free coarse-grained model. (2022)
  • 著者名/発表者名: 乗添祐樹、磯尚樹、坂上貴洋
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Flory-Huggins 理論を用いた 3 成分系における相分離挙動の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 磯尚樹、坂上貴洋、乗添祐樹
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Quantification and formulation of the effect of nuclear size on the mobility of chromatin in the C. elegans embryo. (2022)
  • 著者名/発表者名: Akatsuki Kimura
  • 学会等名: The 30th Hot Spring Harbor International Symposium on Chromatin Potential in Development and Differentiation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Compressing a confined DNA: from nano-channel to nano-cavity. (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Sakaue
  • 学会等名: CECAM workshop”Nanopore Translocation and Nanochannel confined Biopolymers: bridging theory and experiments”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chromatin dynamics in C-elegans embryo: polymer physics approach. (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Sakaue
  • 学会等名: Frontiers in theoretical Biophysics.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theoretical reconstitution of the nuclear size dependency of chromatin motion quantified in the Caenorhabditis elegans embryo. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura A.
  • 学会等名: The 43rd Annual Meeting of the Molecular Biology Society of Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Chromatin mobility controlled by chromatin concentration (2020)
  • 著者名/発表者名: 坂上貴洋
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] パーシスタントホモロジーを用いた環状高分子濃厚溶液の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 坂上貴洋
  • 学会等名: TDA-MI workshop 2020
  • 招待講演
• [学会発表] Chromatin mobility controlled by chromatin concentration (2020)
  • 著者名/発表者名: Sakaue T
  • 学会等名: 2nd workshop on stochasticity and fluctuations in small systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] パーシスタントホモロジーを用いた環状高分子濃厚溶液の解析２ (2020)
  • 著者名/発表者名: 坂上貴洋
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Measurement of physical forces that position the nucleus at the cell center in C elegans. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kimura A
  • 学会等名: Chromosome Dynamics 2019: An international symposium on chromatin and chromosome stability
  • 国際学会
• [学会発表] 細胞の構造計算と力学測定：線虫 C. elegans 胚における細胞核配置 (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村暁
  • 学会等名: 「細胞を創る」研究会12.0
  • 招待講演
• [学会発表] Architectonics of the cell, as a crossroad of physics and genetics. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kimura A
  • 学会等名: The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society Japan
  • 招待講演
• [学会発表] 「力」に着目して分子の集団が細胞内の核配置を制御する仕組みを紐解く (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村暁
  • 学会等名: 第92回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] クロマチンの高次構造とダイナミクス 高分子物理の視点から (2019)
  • 著者名/発表者名: 坂上貴洋
  • 学会等名: 第19回日本蛋白質科学会年会、第71回日本細胞生物学会大会 合同年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Structure and dynamics of chromatins: perspective from polymer physics (2019)
  • 著者名/発表者名: 坂上貴洋
  • 学会等名: The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society Japan
  • 招待講演
• [学会発表] 遠心顕微鏡で細胞核を動かし、力を定量する (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村暁
  • 学会等名: 定量生物学の会第９回年会
• [学会発表] Some Topics on Dynamics of Chromosomal Loci (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakaue T
  • 学会等名: he Arctic Biophysics Meeting on Epigenetics and Chromosome Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Statistical Physics of Topologically Constrained Polymers (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakaue T
  • 学会等名: Polymer meets Topology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 環状高分子鎖濃厚系におけるトポロジーの効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 坂上貴洋
  • 学会等名: 高分子学会講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Microtubule-dependent positioning of the nucleus in the C. elegans embryo (2018)
  • 著者名/発表者名: Kimura A
  • 学会等名: EMBO/EMBL Symposia: Microtubules: From Atoms to Complex Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 二光子スピニングディスク顕微鏡を用いた線虫胚発生の低退色・低毒性イメージングの可能性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 木村暁
  • 学会等名: 多次元生細胞イメージング研究会
  • 招待講演
• [図書] Quantitative Biology - A Practical Introduction. Learning Materials in Biosciences (2022)
  • 著者名/発表者名: Akatsuki Kimura
  • 総ページ数: 144
  • 出版者: Springer Nature Singapore
  • ISBN: 9789811650178
• [図書] 細胞建築学入門 (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村暁
  • 総ページ数: 127
  • 出版者: 工学社
  • ISBN: 9784777520954
• [図書] 定量生物学 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林 徹也
  • 総ページ数: 250
  • 出版者: 化学同人
  • ISBN: 9784759817300
• [備考] 遺伝子の運動を支配する物理法則 - 細胞内の染色体の動きを表す数式を発見
  • URL: https://www.nig.ac.jp/nig/images/research_highlights/PR20220427.pdf
• [備考] 「生命の余白の美」卵殻内の空き空間は細胞配列を制御する
  • URL: https://www.nig.ac.jp/nig/images/research_highlights/PR20220513.pdf
• [備考] 国立遺伝学研究所細胞建築（木村）研究室
  • URL: https://www.nig.ac.jp/nig/ja/research/organization-top/laboratories/kimura
• [備考] 生命科学DOKIDOKI研究室：これから研究の話をしよう第１０回：ようこそ、細胞建築学の世界へ
  • URL: https://www.terumozaidan.or.jp/labo/future/10/index.html
• [備考] 青山学院大学理工学部物理科学科坂上研究室
  • URL: http://www.agnes.aoyama.ac.jp/phys-math/sakaue/
• [備考] ２つに分裂するか、３つに分裂するか、それが問題だ
  • URL: https://www.nig.ac.jp/nig/ja/2019/04/research-highlights_ja/rh20190304.html
• [備考] 物理計測と理論モデル構築によるクロマチンポテンシャルの理解
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/potentia/member/kimuraa.html
• [備考] 国立遺伝学研究所細胞建築研究室
  • URL: http://cellarchlab.galaxy.bindcloud.jp/home_jp.html