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

2022 年度 実績報告書

• 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
• 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

研究実績の概要

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。例えば、実験データの解析に理論的な考察を加えることにより、これまで困難であった「激しく動く核内でのクロマチンの動きを（核の動きの影響を排除して）定量化する」新手法を開発した。本成果に関しては和英両方において総説論文を執筆し、広報に努めた。その後、本研究で提唱した「核内でのクロマチンのメッシュサイズ（網目の大きさ）」を実験と理論を組み合わせて推定することにも成功している(投稿準備中)。前述の新しい解析手法の理論的基盤についても研究を進めた(投稿準備中)。本研究をさらに発展させることにより、クロマチンポテンシャル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。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Marine Biological Laboratory(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Marine Biological Laboratory
• [国際共同研究] Bayreuth University(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Bayreuth University
• [国際共同研究] KU Leuven(ベルギー)
  • 国名: ベルギー
  • 外国機関名: KU Leuven
• [国際共同研究] National University of Singapore(シンガポール)
  • 国名: シンガポール
  • 外国機関名: National University of Singapore
• [雑誌論文] Coarse Graining DNA: Symmetry, Nonlocal Elasticity, and Persistence Length (2023)
  • 著者名/発表者名: Gutierrez Fosado Yair Augusto、Landuzzi Fabio、Sakaue Takahiro
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 130 ページ: 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: Fujita Ikumi、Kimura Akatsuki、Yamashita Akira
  • 雑誌名: EMBO reports 巻: 24 ページ: e55770
  • DOI: 10.15252/embr.202255770
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: dev200401
  • 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: Das Rakesh、Sakaue Takahiro、Shivashankar GV、Prost Jacques、Hiraiwa Tetsuya
  • 雑誌名: eLife 巻: 11 ページ: e79901
  • 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: Segers Midas、Voorspoels Aderik、Sakaue Takahiro、Carlon Enrico
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 156 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
  • 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 ページ: 523～528
  • DOI: 10.11316/butsuri.77.8_523
  • 査読あり
• [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
• [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