クロススケールIn-cell cryo-ET技術の開発と上皮組織への応用

• 研究領域: クロススケール新生物学
• 研究課題/領域番号: 21H05248
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 吉川 雅英 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 教授 (80272425)
• 研究期間 (年度): 2021-09-10 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2025年度)
• 配分額: 163,540千円 (直接経費: 125,800千円、間接経費: 37,740千円); 2025年度: 28,470千円 (直接経費: 21,900千円、間接経費: 6,570千円); 2024年度: 28,990千円 (直接経費: 22,300千円、間接経費: 6,690千円); 2023年度: 28,340千円 (直接経費: 21,800千円、間接経費: 6,540千円); 2022年度: 29,120千円 (直接経費: 22,400千円、間接経費: 6,720千円); 2021年度: 48,620千円 (直接経費: 37,400千円、間接経費: 11,220千円)
• キーワード: クライオ電子線トモグラフィー / Cryo-FIB-SEM / 形状標識 / CLEM / FIB-SEM / 上皮 / 繊毛 / 標識

研究開始時の研究の概要

本領域の推進する「クロススケール細胞計測センター」の中で、我々のグループはクライオ電子線トモグラフィー（Cryo-ET）を、他の班の技術と統合することにより、細胞内のメゾ複雑体を含むクロススケール計測を可能とする技術開発を行う。これによって、メゾ複雑体の初期状態→遷移状態→最終状態のスナップショットを高解像度で可視化して、細胞内におけるタンパク質分子の分布・構造・状態を解明できると考える。

研究実績の概要

本研究では、クライオ電子線トモグラフィーを用い上皮細胞の形態形成のメカニズムを分子レベルから解明する。上皮細胞は、外界と臓器の「インターフェー ス」に当たり、臓器の機能に応じて様々な形態を取る。本提案では、これまで我々が研究してきた繊毛に加え、小腸の微絨毛や耳の不動毛など、これまで全く未開拓であった脊椎動物の上皮組織を対象とする。この目的のために、クライオ電子顕微鏡用の新しい細胞内標識「形状ラベル」を開発・応用することで、上皮の 形態形成のメカニズムを解明する。
本年度は、繊毛の構造解析、特にゼブラフィッシュを用いてカルシウムによる繊毛の制御機構、クラミドモナスを用いて中心対微小管の構造を解明した結果を論文として投稿した。前者はeLifeにて出版され、また、後者はrevision中である。ゼブラフィッシュを用いたカルシウムによる影響については、mutantを用いて生理学的な解析を行い、続報として投稿した。この論文も、現在revision中である。また、公募班の小田グループと共同で、膀胱上皮の構造解析と繊毛に於けるチューブリンC末端修飾に関する論文を出版した。計画班の稲葉グループとは、ゴルジ体で働く亜鉛トランスポーターの構造解析の論文を出版した。
さらに上皮に関する構造解析を行うためにFocused-Ion-Beamを用いたラメラの作成技術をハイスループット化したので、それらを用いて2024年度は上皮の構造をクライオ電子線トモグラフィーを用いて高解像度で解析していく予定である。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

概要・実績にあるように、2023年度中に7報の論文を出版できたこと、さらに現在reivision中の論文も数多くある事から、計画以上に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

新たに開発しつつある形状ラベルや、ハイスループット化したFIB-SEMを用いて新たな上皮構造の解明を進める。また、2024年度に加わった公募班とも積極的に共同研究を進め、論文として投稿する。

研究成果

• [国際共同研究] Purdue University(米国)
• [雑誌論文] The role of the C-terminal tail region as a plug to regulate XKR8 lipid scramblase (2024)
  • 著者名/発表者名: Sakuragi Takaharu、Kanai Ryuta、Otani Mayumi、Kikkawa Masahide、Toyoshima Chikashi、Nagata Shigekazu
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 300 号: 3 ページ: 105755-105755
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2024.105755
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Calaxin stabilizes the docking of outer arm dyneins onto ciliary doublet microtubule in vertebrates (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Hiroshi、Morikawa Motohiro、Kikkawa Masahide
  • 雑誌名: eLife 巻: 12
  • DOI: 10.7554/elife.84860
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ATP‐Responsive Nanoparticles Covered with Biomolecular Machine “Chaperonin GroEL” (2023)
  • 著者名/発表者名: Shen Hao K.、Morishita Kiyoshi、Hashim P. K.、Okuro Kou、Kashiwagi Daiki、Kimura Ayumi、Yanagisawa Haruaki、Kikkawa Masahide、Niwa Tatsuya、Taguchi Hideki、Aida Takuzo
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 62 号: 31
  • DOI: 10.1002/anie.202304894
  • 査読あり
• [雑誌論文] α- and β-tubulin C-terminal tails with distinct modifications are crucial for ciliary motility and assembly (2023)
  • 著者名/発表者名: Kubo Tomohiro、Tani Yuma、Yanagisawa Haru-Aki、Kikkawa Masahide、Oda Toshiyuki
  • 雑誌名: Journal of Cell Science 巻: 136 号: 16
  • DOI: 10.1242/jcs.261070
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cryo-EM structures of human zinc transporter ZnT7 reveal the mechanism of Zn2+ uptake into the Golgi apparatus (2023)
  • 著者名/発表者名: Bui Han Ba、Watanabe Satoshi、Nomura Norimichi、Liu Kehong、Uemura Tomoko、Inoue Michio、Tsutsumi Akihisa、Fujita Hiroyuki、Kinoshita Kengo、Kato Yukinari、Iwata So、Kikkawa Masahide、Inaba Kenji
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 4770-4770
  • DOI: 10.1038/s41467-023-40521-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A quest to unravel the role of the stalk and microtubule‐binding domain of axonemal dyneins (2023)
  • 著者名/発表者名: Kikkawa Masahide
  • 雑誌名: FEBS Letters 巻: 597 号: 17 ページ: 2147-2148
  • DOI: 10.1002/1873-3468.14707
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cryo-EM elucidates the uroplakin complex structure within liquid-crystalline lipids in the porcine urothelial membrane (2023)
  • 著者名/発表者名: Yanagisawa Haruaki、Kita Yoshihiro、Oda Toshiyuki、Kikkawa Masahide
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 6 号: 1 ページ: 1018-1018
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05393-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Calaxin stabilizes the docking of outer arm dyneins onto ciliary doublet microtubule in vertebrates. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi, H., Morikawa, M., Kikkawa, M.
  • 雑誌名: BioRxiv 巻: NA
  • DOI: 10.1101/2022.11.10.516068
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Identifying proteins in the cell by tagging techniques for cryo-electron microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Masahide Kikkawa, Haruaki Yanagisawa
  • 雑誌名: Microscopy (Oxf) 巻: 71 号: Supplement_1 ページ: i60-i65
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfab059
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Parallel cryo electron tomography on in situ lamellae (2022)
  • 著者名/発表者名: Fabian Eisenstein, Haruaki Yanagisawa, Hiroka Kashihara, Masahide Kikkawa, Sachiko Tsukita, adostin Danev
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: 0 ページ: 0-0
  • DOI: 10.1101/2022.04.07.487557
• [学会発表] 第8回日本骨免疫学会 冬期学術集会 (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉川 雅英
  • 学会等名: クライオ電子顕微鏡によるクロススケール観察
  • 招待講演
• [学会発表] JST主催 第2回タンパク質シンポジウム プログラム (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉川 雅英
  • 学会等名: クライオ電子顕微鏡による上皮構造のクロススケール観察
• [学会発表] 第129回日本解剖学会総会・全国学術集会 (2024)
  • 著者名/発表者名: 牧野 司
  • 学会等名: 精子形成におけるマンシェット輸送をになう新たなキネシンモーターの分子機構
• [学会発表] 日本顕微鏡学会第79回学術講演会 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川 雅英
  • 学会等名: クライオ電子顕微鏡による細胞骨格・モーター分子への応用
  • 招待講演
• [学会発表] 日本顕微鏡学会第79回学術講演会 (2023)
  • 著者名/発表者名: 齊藤 知恵子
  • 学会等名: 広域三次元光ー電子相関電子顕微鏡法で紐解く細胞内分解ダイナミクス
• [学会発表] 日本顕微鏡学会第79回学術講演会 (2023)
  • 著者名/発表者名: 楊 景霏
  • 学会等名: The introduction and structural analysis with cryo-EM of M13 bacteriophage
• [学会発表] 日本顕微鏡学会第79回学術講演会 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐々木 諒平
  • 学会等名: クライオ電子顕微鏡による微小管-ダイナミン複合体構造解析
• [学会発表] 第49回内藤コンファレンス (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川 雅英
  • 学会等名: Combination of cryo-EM and genetics for studying microtubule-binding proteins
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 第49回内藤コンファレンス (2023)
  • 著者名/発表者名: 谷 侑磨
  • 学会等名: FAP47, HYDIN, and CPC1 in the central pair apparatus of Chlamydomonas flagella
  • 国際学会
• [学会発表] 第49回内藤コンファレンス (2023)
  • 著者名/発表者名: 安 建成
  • 学会等名: GAS2 mediates F-actin and microtubule crosslinking
  • 国際学会
• [学会発表] 第49回内藤コンファレンス (2023)
  • 著者名/発表者名: 牧野 司
  • 学会等名: Analysis of a Novel Kinesin Motor Involved in Sperm specific Manchette-Transport
  • 国際学会
• [学会発表] 第49回内藤コンファレンス (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口 博史
  • 学会等名: Cryo-electron tomography revealed that Calaxin stabilizes the docking of outer arm dyneins onto ciliary doublet microtubule in vertebrates
  • 国際学会
• [学会発表] 第23回日本蛋白質科学会年会 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐々木 諒平
  • 学会等名: Prevention of particle adsorption at the air/water interface using DNA support structures for cryo-EM.
  • 国際学会
• [学会発表] 学術変革領域会議 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川 雅英
  • 学会等名: Combination of genetics and cryo-electron tomography to study various epitheliums
  • 国際学会
• [学会発表] 学術変革領域会議 (2023)
  • 著者名/発表者名: 牧野 司
  • 学会等名: KIF6 Gene Deletion Causes Sperm Flagellar Immobility: Insights from KIF6 KO Mice
  • 国際学会
• [学会発表] 学術変革領域会議 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口 博史
  • 学会等名: Cryo-electron tomography for structural/functional analysis of vertebrate ciliary axoneme
  • 国際学会
• [学会発表] 学術変革領域会議 (2023)
  • 著者名/発表者名: 谷 侑磨
  • 学会等名: FAP47, HYDIN, and CPC1 in the central pair apparatus of Chlamydomonas flagella
  • 国際学会
• [学会発表] IMC20(The 20th International Microscopy Congress) (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川 雅英
  • 学会等名: Combination of genetics and cryo-electron tomography to study the docking of outer arm dyneins onto ciliary doublet microtubule in vertebrates
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Complete structure of M13 phage by cryo-electron microscopy. (2023)
  • 著者名/発表者名: Masahide Kikkawa
  • 学会等名: 第7回日本骨免疫学会 冬期学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Bioconjugation of Au25 nanocluster to trastuzumab. (2023)
  • 著者名/発表者名: Katarzyna Malawska
  • 学会等名: The 103rd CSJ Annual Meeting (2023)
• [学会発表] Combination of cryo-electron tomography and genetics to study cilia/flagella (2023)
  • 著者名/発表者名: Masahide Kikkawa
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Conference Asia: Cilia and Centrosome
  • 招待講演
• [学会発表] Cryo-electron tomography revealed that Calaxin stabilizes the docking of outer arm dyneins onto ciliary doublet microtubule in vertebrates (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Yamaguchi
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Conference Asia: Cilia and Centrosome
  • 国際学会
• [学会発表] FAP47, HYDIN, and CPC1 in the central pair apparatus of Chlamydomonas (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuma Tani
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Conference Asia: Cilia and Centrosome
  • 国際学会
• [学会発表] GAS2 mediates F-actin and microtubule crosslinking (2023)
  • 著者名/発表者名: Jiancheng An
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Conference Asia: Cilia and Centrosome
  • 国際学会
• [学会発表] 精子形成におけるマンシェット輸送をになう新たなキネシンモーターの解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 牧野司
  • 学会等名: 第128回 日本解剖学会総会・全国学術総会
• [学会発表] クライオ電子顕微鏡を用いた繊毛軸糸ダイニンコンポーネントCalaxinの機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山口 博史
  • 学会等名: 第74回日本細胞生物学会大会
• [学会発表] Cryo-electron tomography revealed that Calaxin stabilizes the docking of outer arm dyneins onto ciliary doublet microtubule in vertebrate (クライオ電子顕微鏡を用いた繊毛軸糸ダイニンコンポーネント Calaxin の機能解析) (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Yamaguchi
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] FAP47, HYDIN, and CPC1 in the central pair apparatus of Chlamydomonas (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuma Tani
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Near-atomic cryo-EM structure of GAR domain bound to the microtuble (2022)
  • 著者名/発表者名: Jiancheng An
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] FAP47, HYDIN, and CPC1 in the central pair apparatus of Chlamydomonas (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuma Tani
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会若手研究部会2022年度シンポジウム
• [学会発表] クライオ電子線トモグラフィーとcryo-FIB-SEMによる上皮構造の観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉川雅英
  • 学会等名: 統合生命科学研究科シンポジウム 分子原子レベルの統合生命科学研究
  • 招待講演
• [学会発表] クライオ電子顕微鏡によるクロススケール観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉川雅英
  • 学会等名: リサーチトレンド2022 第4回クライオ電子顕微鏡ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] The introduction and structural analysis with cryo-EM of M13 Bacteriophage (2022)
  • 著者名/発表者名: Jingfei Yang
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会若手研究部会2022年度シンポジウム
• [学会発表] Prevention of particle denaturation on the air/water interface with the aid of DNA support structure for cryo-electron microscope. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Sasaki
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会若手研究部会2022年度シンポジウム
• [学会発表] cryo-ET を用いた繊毛軸糸ダイニンコンポーネント Calaxin の機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山口 博史
  • 学会等名: 第12回繊毛研究会
• [学会発表] FAP47, HYDIN, and CPC1 in the central pair apparatus of Chlamydomonas (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuma Tani
  • 学会等名: 第12回繊毛研究会
• [学会発表] FAP47, HYDIN, and CPC1 in the central pair apparatus of Chlamydomonas (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuma Tani
  • 学会等名: Cell Bio 2022 An ASCB | EMBO Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrastructural Analysis of Isolation Membrane by Cryo-Electron Tomography and Cryo-Focused Ion Beam (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Fukuda
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第78回学術講演会
• [学会発表] Morphological analysis of the isolation membrane by cryo-electron tomography and cryo-FIB (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Fukuda
  • 学会等名: The 10th International Symposium on Autophagy
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrastructural Analysis of Isolation Membrane by Cryo-Electron Tomography and Cryo-Focused Ion Beam (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Fukuda
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会若手研究部会2022年度シンポジウム
• [学会発表] Morphological analysis of the isolation membrane by cryo-electron tomography and cryo-focused ion beam (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Fukuda
  • 学会等名: The 4th East-Asia Microscopy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] クライオ電顕トモグラフィーによる脊椎動物の軸糸ダイニンリンカー構造の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Yamaguchi
  • 学会等名: 顕微鏡学会
• [学会発表] Combination of cryo-EM and genetics to study epithelial cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahide Kikkawa
  • 学会等名: Korean Society for Molecular and Cellular Biology 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Combination of cryo-EM ang genetics to study cilia/flagella (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahide Kikkawa
  • 学会等名: Computer simulations and Cryo-ET/EM of complex biomolecular systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] クライオ電子顕微鏡によるクロススケール観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉川雅英
  • 学会等名: 第6回 日本骨免疫学会 ウィンタースクール
  • 国際学会
• [学会発表] Cryo electron tomography of cellular specimens (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Fukuda
  • 学会等名: KSBMB International Conference 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 東京大学・大学院・医学系研究科・生体構造学分野 ホームページ
  • URL: https://structure.m.u-tokyo.ac.jp