細胞内1分子計測法を用いた走化性情報処理システムの解析

2004 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15109003
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 柳田 敏雄 大阪大学, 生命機能研究科, 教授 (30089883)
• 研究分担者: 佐甲 靖志 大阪大学, 生命機能研究科, 助教授 (20215700) ; 岩根 敦子 大阪大学, 生命機能研究科, 助手 (30252638)
• キーワード: 走化性 / 1分子 / 細胞性粘菌 / 神経細胞 / ゆらぎ / 細胞内情報伝達 / GPCR / 神経成長因子NGF

研究概要

本研究は神経細胞や免疫細胞、粘菌細胞などの真核細胞にみられる走化性(化学走性)の細胞内情報処理メカニズムを解明することを目的とする。我々が開発してきた細胞内1分子計測法を用いて、化学物質の受容から細胞運動の制御にいたる情報処理過程を生きた細胞内で1分子イメージングすることにより、熱ゆらぎ(ノイズ)の影響を受けながら作動している情報伝達分子の振るまいを明らかにする。本年度は主に次の2点について明らかにした。
ニワトリ神経成長円錐に神経成長因子(NGF)が結合すると葉状仮足が形成され、神経突起の伸長が誘導される。この過程におけるNGF結合(すなわち信号入力)を生きた神経細胞上で1分子イメージングすることに成功した。結果、神経成長円錐に存在する全NGF受容体の約4%にあたる約40分子の受容体がNGFによって活性化されることで仮足形成が誘導されることが分かった。神経細胞におけるニューロトロフィン刺激の入力メカニズム、および神経細胞の突起形成メカニズムについて重要な知見を与えている。
免疫細胞や粘菌細胞の走化性情報伝達系を構成するGPCR型走化性受容体、三量体G蛋白質、癌抑制遺伝子PTEN、PHドメイン含有蛋白質などの細胞内での振る舞いを1分子レベルで観察することに成功した。誘引性化学物質がGPCR型受容体に結合する過程の時系列解析により、信号入力はランダムな過程でありノイジーな入力であることが明らかになった。また、受容体からの出力となる三量体G蛋白質の活性化過程において、G蛋白質が細胞膜と細胞質の間を循環していることが見いだされた。同様の現象がPTENやPHドメイン含有蛋白質でも起こっており、その反応の時間スケールはいずれも数百ミリ秒程度であった。走化性情報処理過程はランダムな反応の連鎖であり、本来的にノイジーと言える。ノイジーな情報処理を捉える理論的枠組みについても検討を行っている。

研究成果

• [雑誌論文] Total internal reflection fluorescence microscopy in single molecule nanobioscience (2005)
  • 著者名/発表者名: Wazawa, T., Ueda, M.
  • 雑誌名: Adv.Biochem.Engin/Biotechnol 95 ページ: 77-106
• [雑誌論文] Trafficking of ligand-receptor complex on the growth cones as an essential step for the up take of nerve growth factor at the distal end of axon : a single-molecule analysis. (2005)
  • 著者名/発表者名: Tani, T. et al.
  • 雑誌名: J.Neurosci. (in press)
• [雑誌論文] Single-molecule analysis of epidermal growth factor signaling that leads to ultrasensitive calcium response. (2005)
  • 著者名/発表者名: Uyemura, T., Takagi, H., Yanagida, T., Sako, Y.
  • 雑誌名: Biophys.J. (in press)
• [雑誌論文] Single-molecule analysis of chemotactic signaling mediated by cAMP receptor on living cells (2005)
  • 著者名/発表者名: Ueda, M., Miyanaga, Y., Yanagida, T.
  • 雑誌名: CMC mecthods in signal transduction series : G protein-coupled receptors : Structure, Function and Ligand Screening (In press)
• [雑誌論文] Engagement of CD44 promotes Rac activation and CD44 cleavage during tumor cell migration. (2004)
  • 著者名/発表者名: Murai, T., et al.
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 279 ページ: 4541-4550
• [雑誌論文] Single molecule observation of amplification of EGF receptor activation in semi-intact A431 cells. (2004)
  • 著者名/発表者名: Ichinose, J, Murata, M., Yanagida, T., Sako, Y.
  • 雑誌名: Biochem.Biophys.Res.Comm. 324 ページ: 1143-1149
• [雑誌論文] Single-molecule measurement in living cells (2004)
  • 著者名/発表者名: Ichinose, J., Sako, Y.
  • 雑誌名: Trend.Anal.Chem 23 ページ: 587-594
• [雑誌論文] Single-molecule imaging of the dynamic interactions between macro-molecules. (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Yokota et al.
  • 雑誌名: J.Nanosci.Nanotech. 4 ページ: 616-621
• [雑誌論文] 1分子計測法による細胞内分子システムの解析 (2004)
  • 著者名/発表者名: 森松美紀, 佐甲靖志
  • 雑誌名: BME 18 ページ: 19-26
• [雑誌論文] Single-_and multiple-molecule dynamics of the signaling from H-Ras to c-Rafl visualized on the plasma membrane of living cells (2003)
  • 著者名/発表者名: Hibino, K et al.
  • 雑誌名: Chem.Phys.Chem. 4 ページ: 748-753
• [雑誌論文] Single-molecule visualization in cell biology (2003)
  • 著者名/発表者名: Sako, Y., Yanagida, T.
  • 雑誌名: Nature Rev.Mol.Cell Biol. 4 ページ: SS1-SS5
• [雑誌論文] Single-molecule visualization of cell signaling processes of epidermal growth factor receptor. (2003)
  • 著者名/発表者名: Sako, Y., Ichinose, J., Morimatsu, M., Ohta, K., Uyemura, T.
  • 雑誌名: J.Pharmacol.Sci. 93 ページ: 253-258
• [雑誌論文] Stochastic processes in nano-biomachines revealed by single molecule detection (2003)
  • 著者名/発表者名: Yanagida, T., Ishii, Y.
  • 雑誌名: Biosystems 71 ページ: 233-244
• [雑誌論文] 細胞内情報処理過程の1分子観察 (2003)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 雑誌名: 生理学会誌 65 ページ: 277-282
• [図書] エンドサイトーシス実験法(エンドソーム観察法)細胞生物学実験III-I (2004)
  • 著者名/発表者名: 堺立也, 山科正平, 佐甲靖志
  • 総ページ数: 15(18-32)
  • 出版者: 広川書店
• [図書] 光ピンセット「バイオ高性能機器・新技術利用マニュアル」(蛋白質・核酸・酵素増刊49) (2004)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 総ページ数: 5(1615-1619)
  • 出版者: 共立出版株式会社
• [図書] 細胞内情報処理システムを1分子計測する「<1分子>生物学 生命システムの新しい理解」(合原一幸, 岡田康志編) (2004)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 総ページ数: 39(43-81)
  • 出版者: 岩波書店
• [図書] 1分子生理学:「ナノテクノロジーによる生命科学 ナノバイオロジー」 (2004)
  • 著者名/発表者名: 石井由晴, 柳田敏雄
  • 総ページ数: 16(105-120)
  • 出版者: 共立出版
• [図書] ナノテクノロジー「医学を学ぶための生物学」(谷口直之, 米田悦啓編) (2004)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 総ページ数: 8(429-436)
  • 出版者: 南江堂
• [図書] Molecular motors(ed.by Schliwa, M.)Single molecule measurements and molecular motors (2003)
  • 著者名/発表者名: Ishii, Y., Yanagida, T
  • 総ページ数: 19(305-323)
  • 出版者: Wiley
• [図書] Molecular motors and single molecule enzymology Methods in enzymology 351 (2003)
  • 著者名/発表者名: Ishii, Y., Kitamura, K., Tanaka, H., Yanagida T.
  • 総ページ数: 18(228-245)
  • 出版者: Academic press
• [図書] 1分子と細胞,ナノテクノロジーハンドブック IV編バイオ・化学へ使う (2003)
  • 著者名/発表者名: 上田昌宏, 佐甲靖志
  • 総ページ数: 5(123-127)
  • 出版者: オーム社
• [図書] 蛋白質の動的構造,ナノテクノロジーハンドブック IV編バイオ・化学へ使う (2003)
  • 著者名/発表者名: 和沢鉄一, 石井由晴
  • 総ページ数: 5(90-94)
  • 出版者: オーム社
• [図書] 線形モータを測る,ナノテクノロジーハンドブック IV編バイオ・化学へ使う (2003)
  • 著者名/発表者名: 柳田敏雄
  • 総ページ数: 4(101-104)
  • 出版者: オーム社
• [図書] ナノテクノロジー大事典:生体分子運動システム (2003)
  • 著者名/発表者名: 石井由晴, 西川宗, 江崎誠治, 上田昌宏
  • 総ページ数: 14(785-798)
  • 出版者: 工業調査会