細胞内の空間配置を制御する力学要素としてのオルガネラの役割の理解

• 研究課題/領域番号: 18H02414
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43040:生物物理学関連
• 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)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2020年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2019年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2018年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円)
• キーワード: 線虫 / 細胞核 / 細胞質流動 / オルガネラ / 力学 / 数理モデル

研究成果の概要

細胞内では細胞核が細胞の端から中央まで動いたり、細胞全体で細胞質が流動したりダイナミックな動きが見られる。報告者は細胞内に存在する小胞体(ER)などの細胞小器官が、力を発生したり、力を統合する力学的要素としてこれらのダイナミックな動きに重要な役割を果たしていると提唱している。本研究課題では、細胞分裂の様式や個体の体軸の形成にオルガネラを力学的要素とする細胞内の動きが重要であることを、線虫という生き物を実験材料に使った顕微鏡観察と数理モデルを活用して明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

細胞内小器官は従来は細胞内のエネルギー産生や物質のリサイクルなど、その機能的役割に注目されてきたが、細胞内の相当な体積を占める構造体であり、細胞骨格と連結されているなど細胞内の力学的要素としても重要な役割を果たすことが疑われる。これまで注目されていなかったこの役割に本研究では迫り、細胞がどのように分裂するか、身体の前後軸がどのように決定されるか、といった重要な制御にオルガネラが細胞内の重要な力学的要素として関わっていることを明らかにした。

研究成果

• [国際共同研究] Marine Biological Laboratory(米国)
• [国際共同研究] Marine Biological Laboratory(米国)
• [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] A mathematical model of kinetochore-microtubule attachment regulated by Aurora A activity gradient describes chromosome oscillation and correction of erroneous attachments (2021)
  • 著者名/発表者名: Campos Medina Manuel Alejandro、Iemura Kenji、Kimura Akatsuki、Tanaka Kozo
  • 雑誌名: Biomedical Research 巻: 42 号: 5 ページ: 203-219
  • DOI: 10.2220/biomedres.42.203
  • NAID: 130008090723
  • ISSN: 0388-6107, 1880-313X
  • 年月日: 2021-09-21
  • 査読あり / オープンアクセス / 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] 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] 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] 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] 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] Cytoplasmic streaming drifts the polarity cue and specifies the cell polarity in Caenorhabditis elegans zygotes (2019)
  • 著者名/発表者名: Kimura Kenji、Kimura Akatsuki
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: 887620-887620
  • DOI: 10.1101/2019.12.23.887620
  • オープンアクセス
• [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
• [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] Mechanics and self-organization of cytoplasmic steaming. (2021)
  • 著者名/発表者名: Akatsuki Kimura
  • 学会等名: RIMS Workshop on Mathematical Mechanobiology.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Measurement of cellular forces bringing the nucleus to the cell center using the Centrifuge Polarization Microscope (CPM). (2020)
  • 著者名/発表者名: Akatsuki Kimura
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society Japan
• [学会発表] 線虫胚で”人工細胞核を造る”に向けた我々の取り組み (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村暁
  • 学会等名: 第２回人工細胞核を創る会
• [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: 第５７回日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 基礎生物学における新発見にデータ同化はどう有用か? (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村暁
  • 学会等名: 科学基礎論学会2019年度秋の研究例会
  • 招待講演
• [学会発表] 遠心偏光顕微鏡 CPM を用いた細胞内の力の定量化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村暁
  • 学会等名: 定量生物学の会北海道キャラバン2019
  • 招待講演
• [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
• [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
• [学会発表] Physical forces behind the spatial organizations of the cell (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村暁
  • 学会等名: 線虫研究の未来を創る会2019
• [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] 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] 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] 国立遺伝学研究所細胞建築研究室
  • URL: http://cellarchlab.galaxy.bindcloud.jp/home_jp.html
• [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