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アクチン細胞骨格が細胞レベルの左右非対称性「細胞キラリティ」を生み出す原理の解明

研究課題

研究課題/領域番号 23K14186
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分44010:細胞生物学関連
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

石橋 朋樹  国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (60914405)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2025年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2024年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2023年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
キーワード細胞キラリティ / 細胞回転運動 / 左右非対称性 / 集団回転 / 集団運動
研究開始時の研究の概要

生物の基本構成要素である細胞は,細胞極性を介して,多細胞レベルの秩序を生み出している.よって,細胞極性を形成する分子機序の解明は生命システムを理解する上で必須の課題である.近年,細胞キラリティという新規な細胞極性が発見され,器官の左右非対称性への関与など,生理的な機能の重要性が報告されている.これまでに,細胞キラリティを生み出す分子実態がアクトミオシン細胞骨格であることが分かってきたが,細胞キラリティがアクトミオシン依存的に形成される機構はほとんど未解明である.本計画は,最新のイメージング手法・数理解析・光遺伝学手法を組み合わせ,アクトミオシンが細胞キラリティを生み出す仕組みの解明を目指す.

研究実績の概要

細胞キラリティを生み出す分子実態がアクトミオシン細胞骨格であることが分かってきたが,細胞キラリティがアクトミオシン依存的に形成される機構はほとんど未解明である.本計画は,最新の高解像イメージング手法・数理モデリング・光遺伝学的手法を組み合わせることで,アクトミオシンが細胞キラリティを生み出す力学的原理を解明することを目的とする.
2023年度は,アクトミオシン関連因子への阻害剤で処理したCaco-2細胞に対して,Expansion Microscopyなどの高解像イメージングを行った.その結果,無処理群では,アクトミオシンのapical面への強い局在が観察された.細胞の回転を向上させる薬剤であるSMIFH2で処理をすると,細胞のapical面へのアクトミオシン局在も強まることを見出した.さらに,アクトミオシンが核の周囲にリング状の構造を取ることも高い空間解像度で明らかにした.
これらをふまえて,共同研究者らの開発したアクティブカイラル流体力学モデルを適用した結果,細胞キラリティ形成にapical面に局在したリング状のアクトミオシン繊維があれば,分子スケールのトルクから細胞スケールの回転力が生まれうることが示唆された.分子スケールのトルクは,螺旋状のアクチン繊維をミオシンが引くことに起因すると考えられる.
この理論から,アクトミオシンを細胞のbasal面に局在させると回転力が失われることが予測された.CN-03で細胞を処理すると,アクトミオシン繊維がbasal面に移行することが分かった.さらに,CN-03で処理をすると,細胞キラリティを失われた.この結果は,我々の開発したアクティブカイラル流体力学モデルの正当性を強く支持している.

現在までの達成度 (区分)
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

当初の計画では,2025年度に論文を投稿予定だったが,2023年度の時点で理論開発と実験検証のサイクルが急速に回り始め,bioRxivでの論文公開および論文投稿まで至った.また,当初は光遺伝学的手法を用いてアクトミオシンの空間的分布を制御する予定だったが,CN-03処理によってアクトミオシンの分布をbasal面に移行させられることが分かったため,より簡便に実験を行うことができるようになった.以上から,当初の計画以上に進展したと考えられる.

今後の研究の推進方策

理論が正しいとすると,リング状のアクトミオシン繊維の量は,細胞回転の速度と相関することが予測されている.2024年度は,画像解析を用いてリング状のアクトミオシン量と細胞回転を定量して解析を進める.
また,ミオシン分子のモーター速度が早くても,細胞回転の速度が上がることが予測される.現在,シャジクモのミオシンモータードメインを用いて,モーター活性が高いキメラミオシンを作成しており,これを導入した細胞において回転速度が上がるかを調べる.

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (6件)

すべて 2023 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うちオープンアクセス 2件、 査読あり 1件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Epithelial cell chirality emerges through the dynamic concentric pattern of actomyosin cytoskeleton2023

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Takaki、Ishibashi Tomoki、Mimori-Kiyosue Yuko、Hiver Sylvain、Tokushige Naoko、Tarama Mitsusuke、Takeichi Masatoshi、Shibata Tatsuo
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: . ページ: 553476-553476

    • DOI

      10.1101/2023.08.16.553476

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Optical microscopic imaging, manipulation, and analysis methods for morphogenesis research2023

    • 著者名/発表者名
      Katoh Takanobu A、Fukai Yohsuke T、Ishibashi Tomoki
    • 雑誌名

      Microscopy

      巻: - 号: 3 ページ: 226-242

    • DOI

      10.1093/jmicro/dfad059

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 細胞キラリティは葉状仮足と焦点接着斑の左右非対称な形成を介して細胞集団のキラルな回転運動を生み出す2023

    • 著者名/発表者名
      石橋 朋樹, 山本 尚貴, 荻田 豪士, 竹市 雅俊, 柴田 達夫
    • 学会等名
      第75回細胞生物学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Cell chirality emerges left-right asymmetry at the multi-cellular level: left-right asymmetric formation of lamellipodia and focal adhesions drive collective migration2023

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Ishibashi
    • 学会等名
      The 56th Annual Meeting of the Japan Society of Developmental Biologists
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 細胞キラリティは葉状仮足と焦点接着斑の左右非対称な形成を介して細胞集団のキラルな回転運動を生み出す2023

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Ishibashi, Tatsuo Shibata
    • 学会等名
      第46回 日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [備考] Researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/ishibashi_tomoki

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2023-04-13   更新日: 2024-12-25  

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