• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

超解像1分子多種同時イメージングによる動態・ナノ局在・機能相関学の創出

研究課題

研究課題/領域番号 23K23845
補助金の研究課題番号 22H02581 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分43040:生物物理学関連
研究機関東京工業大学

研究代表者

徳永 万喜洋  東京工業大学, 生命理工学院, 教授 (00192659)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
2023年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
2022年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
キーワード超解像イメージング / 1分子イメージング軌跡追跡 / 移動部分軌跡解析法 / 動態・局在ナノ相関解析 / HILO照明 / 生物物理 / バイオイメージング / 細胞情報・動態 / 生体分子計測 / 超解像顕微鏡 / 液相分離
研究開始時の研究の概要

「分子を観て、機能を知る」ことを目的とする。
申請者らが開発した超解像1分子多種同時イメージング法を統合的に用いる。
低背景のTIRF(全反射照明)/HILO(薄層斜光)照明法の新規改良法を開発し、超解像・1分子・領域イメージングをリアルタイム同時に、蛍光4色までの多種分子生細胞イメージングを行う。
部分軌跡解析法により、分子動態と分子間相互作用の多種データを、時間・空間の関数として定量し、各種解析法を加え、多種定量データを取得する。
当手法を、転写における液相分離の生理的機能解明に適用する。
多種多様な時空間定量データ群を統合的に関連付け、分子機能を解明する『動態・ナノ局在・機能相関学』を創出する。

研究実績の概要

「分子を観て、機能を知る」ために、申請者らが開発した超解像1分子多種同時イメージング法を統合的に用い、動態・ナノ局在・機能“場”同時、かつ、多種分子同時の分子イメージング、多種類データ取得、多様な時空間定量データ群を統合的に相関解析し、分子機能を解明する『動態・ナノ局在・機能相関学』を創出することを目的として、次を行った。1.超解像1分子多種同時イメージング顕微鏡の改良。『動態・ナノ局在・機能相関学』創出に必要な性能を満たすべく、高精度高速超解像イメージングと1分子蛍光イメージングを生細胞で同時観察できる4色対応蛍光顕微鏡として、照明方法の新規改良法開発を中心に改良した。2.蛍光標識分子の調製。RNAポリメラーゼIIの転写過程ごとの動態・相互作用を区別し、ヒストンバリアントによる違いを可視化すべく、各種分子を導入した。3.1分子イメージング動態解析。申請者らの開発した移動部分軌跡解析法を用い、1分子イメージング軌跡追跡により、分子動態・分子間相互作用情報を時間・空間の関数として定量するシステムに、新しい定量情報解析法を導入した。4.超解像解析。局在化方式(PALM/STORM) 超解像画像を、20~30 nm程度以上の高精度にてナノ局在解析する方法を改良した。5.領域マーカー対応、。超解像と1分子軌跡の重ね合わせ画像(2~3色)に、1~2色の領域マーカー画像を重ね合わせ、分子局在・分子動態・相互作用を、注目領域と関連付け、時空間関数として定量するシステムを開発した。6.以上の3~5に加え、多種定量データ取得を行い、以上で得られたデータ郡を、相互に関連付けながら、一連の解析フローとして相関解析するプログラムシステムSlitflowを構築した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

分子機能を解明する『動態・ナノ局在・機能相関学』を創出するため、超解像1分子多種同時イメージング法を統合的に用い、動態・ナノ局在・機能“場”同時、かつ、多種分子同時分子イメージング、多種多様な時空間定量データ群を統合的に相関解析し、「分子を観て、機能を知る」ことを可能にすべく、本年度の研究計画を推進した。「1.超解像1分子多種同時イメージング顕微鏡の改良」においては、生細胞で4色までの多色対応蛍光顕微鏡として、HILO照明法の新規改良法を考案し導入した。「2.蛍光標識分子の調製」においては、木村宏研究室のRNAP2 S2ph-mintbody, 種々のヒストンvariantを導入した。「3.1分子イメージングによる動態解析」においては、申請者らの開発した、分子動態を時間・空間の関数として定量計測する方法である移動部分軌跡解析法を用いた、多種類定量データ取得・解析方法に、有効ばね定数と移動範囲面積を導入した。「4.超解像解析」の局在化方式(PALM/STORM) 超解像のナノ局在解析に関し、多様な定量データ群の取得・解析方法を改良した。以上の解析と「5.領域マーカー対応」「6.多種多様データの統合的相関解析」を統合的に行うプログラム・システムとして、解析ワークフローの新しいオープンソースフレームワークであるSlitflowを開発した。1)独自開発法に、公開されているツールを合わせ、各の利点を生かして統合的に組み合わし、2)様々な最先端解析を、完全性と柔軟性を備えたワークフローとして単一パイプラインに組み上げるものである。Slitflowは、多種多様なデータと手法に対応し、統合的解析への道を開くものである。以上、いずれも、おおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

1.超解像1分子多種同時イメージング顕微鏡の改良。『動態・ナノ局在・機能相関学』創出に必要な性能を満たすべく、高精度高速超解像イメージングと1分子蛍光イメージングを生細胞同時観察できる4色対応蛍光顕微鏡の改良を進める。特に、TIRF(全反射照明法)/HILO(薄層斜光)照明法の新規改良法を確立する。2.蛍光標識分子の調製。遺伝子の転写開始・伸長における液相の役割を時空間的に解明するため、液相関連分子、核内構造体構成分子を導入する。3.1分子イメージング動態解析。申請者らの開発した1分子移動部分軌跡解析法を用い、分子動態を時間・空間の関数として定量計測し、動態・分子間相互作用に関する多種類情報を時空間の関数として解析するシステムに、動態による分類・クラスター化等を導入して、多種定量データ取得解析方法を改良する。4.超解像解析。局在化方式超解像画像の高精度ナノ局在解析法を、1分子イメージング軌跡追跡データにも、同様に適用する。1分子動態と超解像解析とを、関連付けながら行うソフトウェアシステムとして、昨年度開発のSlitflow法を発展させる。5.領域マーカー対応。超解像と1分子軌跡の重ね合わせ画像に、複数色の領域マーカー画像を重ね合わせ、分子局在・動態・相互作用を、注目領域と関連付け、時間・空間の関数として定量する機能をシステムに導入する。6.多種定量データ取得。3~5の解析結果を統合し、多種類のデータを時間・空間の関数として定量する方法を導入する。7.cluster解析を加え、得られるデータ群を、相互に関連付け、一連の解析フローとして相関解析するべくソフトウェアシステムを発展させる。8.以上により、『動態・ナノ局在・機能相関学』創出に向け、データ群取得解析システムを構築する。[研究協力者]九州大学・生体防御医学研究所 伊藤由馬 クロマチン動態1分子超解像観察と解析

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Slitflow: A Python framework for single-molecule dynamics and localization analysis2023

    • 著者名/発表者名
      Ito Yuma、Hirose Masanori、Tokunaga Makio
    • 雑誌名

      SoftwareX

      巻: 23 ページ: 101462-101462

    • DOI

      10.1016/j.softx.2023.101462

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Slitflow: a Python framework for single-molecule dynamics and localization analysis2023

    • 著者名/発表者名
      Ito Yuma、Hirose Masanori、Tokunaga Makio
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: 2023

    • DOI

      10.1101/2023.03.01.530718

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ribosomal protein L5 facilitates rDNA-bundled condensate and nucleolar assembly2022

    • 著者名/発表者名
      Matsumori Haruka、Watanabe Kenji、Tachiwana Hiroaki、Fujita Tomoko、Ito Yuma、Tokunaga Makio、Sakata-Sogawa Kumiko、Osakada Hiroko、Haraguchi Tokuko、Awazu Akinori、Ochiai Hiroshi、Sakata Yuka、Ochiai Koji、Toki Tsutomu、Ito Etsuro、Goldberg Ilya G、Tokunaga Kazuaki、Nakao Mitsuyoshi、Saitoh Noriko
    • 雑誌名

      Life Science Alliance

      巻: 5 号: 7 ページ: 1-18

    • DOI

      10.26508/lsa.202101045

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] A simulation study of precise 3D single-molecule localization over a large axial range using PSF engineering and deep learning2023

    • 著者名/発表者名
      伊藤 由馬, 佐々木 亮太, 大平 皐介, 周 翔, 徳永 万喜洋
    • 学会等名
      第61回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Mechanical properties of single RNA Polymerase II molecules during transcription in living cells2023

    • 著者名/発表者名
      伊藤 由馬, 徳永 万喜洋
    • 学会等名
      第61回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Simulation analysis of improved trajectory tracking of single molecules undergoing fast diffusion2023

    • 著者名/発表者名
      安彦 穂高, 伊藤 由馬, 徳永 万喜洋
    • 学会等名
      第61回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Changes in single-molecule dynamics in the nucleus during differentiation of C2C12 myoblasts2023

    • 著者名/発表者名
      廣瀬 仁教, 伊藤 由馬, 徳永 万喜洋
    • 学会等名
      第61回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 1分子蛍光顕微鏡像の3次元位置を高精度に計測できる深層学習を用いた方法のシミュレーション研究2023

    • 著者名/発表者名
      岡 寿, 伊藤 由馬, 周 翔, 徳永 万喜洋
    • 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 実績報告書
  • [学会発表] Single-molecule localization-integrated trajectory analysis for dynamic interaction of chromatin structure and transcription machinery2023

    • 著者名/発表者名
      Ito Y, Tokunaga M
    • 学会等名
      67th Biophysical Society Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A simulation study to measure precisely three-dimensional coordinates of single molecule images using adaptive optics and machine learning2022

    • 著者名/発表者名
      周 翔, 伊藤 由馬, 徳永 万喜洋
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] An integrated analysis of functional chromatin-RNA polymerase II interaction using singlemolecule dynamics and localization2022

    • 著者名/発表者名
      伊藤 由馬, 徳永 万喜洋
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Single-molecule analysis of state-specific histone mobility in chromatin subcompartments during cellular differentiation2022

    • 著者名/発表者名
      廣瀬 仁教, 伊藤 由馬, 徳永 万喜洋
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] RNA Polymerase II dynamics analysis at different stages of the transcription cycle in living cells using single-molecule imaging2022

    • 著者名/発表者名
      秋田 嶺, 伊藤 由馬, 徳永 万喜洋
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Chromatin mobility of X-linked loci and its epigenetic regulation2022

    • 著者名/発表者名
      佐藤 優子, 伊藤 由馬, 内野 哲志, 徳永 万喜洋, 木村 宏
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Live cell imaging of transcription initiation and elongation forms of RNA polymerase II2022

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Uchino, Yuma Ito, Yuko Sato, Tetsuya Handa, Yasuyuki Ohkawa, Makio Tokunaga, Hiroshi Kimura
    • 学会等名
      Gordon Research Conference Chromatin Structure and Function
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 転写開始型及び伸長型RNAポリメラーゼIIの生細胞観察2022

    • 著者名/発表者名
      内野 哲志, 伊藤 由馬, 佐藤 優子, 半田 哲也, 大川 恭行, 徳永 万喜洋, 木村 宏
    • 学会等名
      第45回日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 東京工業大学 生命理工学院 徳永研究室

    • URL

      http://www.toku.bio.titech.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi