| 研究課題/領域番号 |
20K20460
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| 配分区分 | 基金 |
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
林 茂生 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, チームリーダー (60183092)
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| 研究分担者 |
岩根 敦子 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, チームリーダー (30252638)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 昆虫 / 生物模倣 / 細胞外基質 / 外骨格 / 嗅覚器官 |
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| 研究実績の概要 |
構造色、超撥水性などの機能的素材は鳥類、昆虫、植物など広く生物界に観察される. 例えば特定の波長の光を選択的に反射する構造色は孔雀の羽、タマムシの外骨格、ヤブミョウガの果実など系統的に遠く離れた生物種に見られ、組織表面にあるナノメートルレベルの微細構造が様々な物理的しくみを介して光の波長選択性に関わることが知られている．これらの素材の構造にヒントを得た工業製品がバイオミメティクスと呼ばれる工業分野をなしている．しかし有機的素材（ケラチン、キチン、セルロース）などがどのようにして生物的に生合成されるかのしくみは不明である．昆虫の嗅覚器官では細胞外基質のクチクラ層に構築される口径50-200nmの穴( ナノポア)を通して匂い分子を感知する．ナノポアはクチクラの強靱性を保持したまま昆虫の超高感度な嗅覚受容を可能にする．我々が報告した小胞体分子Gore-texは嗅覚毛の細胞に特異的に発現し、その変異体ではクチクラ形成は正常なものの、ナノポアが失われ嗅覚の低下が見られる (Ando et al., Curr. Biol. 2019)．
本研究ではキイロショウジョウバエを材料にナノポアの構築機構の遺伝的、発生学的および分子生物学的な理解を深める事を目的とする．2020年度は電子顕微鏡を用いて正常型個体とgore-tex変異体においてナノポアの発生過程を観察する事でgore-tex変異体におけるナノポア喪失がどのようなプロセスを経て起きるのかを追求した．またイオンビーム連続切削型電子顕微鏡(FIB-SEM)を用いた三次元的細胞内構造解析をすすめた．
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| 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
嗅覚器官におけるナノポアの形成は外骨格最外層の外被が形成される蛹化42時間ごろに開始する．我々の過去の透過電子顕微鏡解析により外被の形成は分泌された細胞外基質の中で、細胞膜から50-100nm離れた場所で起こる．電子顕微鏡切片の像ではおよそ100nmの外側に向けて湾曲した外被断片が連続して出現し、その後外被が連結して波形の構造を形成する．蛹化52時間には外被断片の接続点に細胞外基質が更に蓄積し、そこがナノポアの位置となる．一方でナノポアを作らない非感覚毛で作られる外被断片は平板で連結すると直線状の断片像をしめす．従ってナノポア形成の根幹は新規に形成された外被を湾曲させ、そのうえで連結する嗅覚器官特有のしくみにある．そこで外被の形成とその湾曲化の過程を透過電子顕微鏡で観察した．
正常個体のナノポアの構築機構を明らかにするために蛹化42時間から50時間にかけての透過電子顕微鏡像を観察した．その結果、いったん接続した外被断片は湾曲を維持して蛹化50時間には予定ナノポア領域となること、予定ナノポア領域には頻繁に細胞膜の陥入が起こる事を見出した．一方でgore-tex変異体において蛹化50時間の外骨格外被はほぼ平板であったが、そこから遡ると部分的に湾曲した外被の像が頻繁に見られた．従ってgore-texの機能はいったん湾曲した外被断片のかたちを維持するところにある事が推定された。
次に細胞内膜蛋白質Gore-tex分子が果たす役割を明らかにするためにイオンビーム連続切削型電子顕微鏡(FIB-SEM)を用いた三次元的形態解析を行った．2020年度は正常型個体とgore-tex変異体個体の蛹化42時間の標本について切削、撮影を行い良好な連続切片像を得ることが出来た．今後画像セグメンテーションを行い3次元の細胞内膜系のマップを作成する予定である．
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| 今後の研究の推進方策 |
2020年度はコロナウイルス蔓延による研究室への出勤制限と出張制限により理研広島拠点に標本を持ち込んで行っているイオンビーム連続切削型電子顕微鏡(FIB-SEM)の実験計画に遅れが生じた．また当初産総研（茨城県つくば市）の施設（ヘリウムイオン顕微鏡）を用いて予定していたgore-texと類似の表現型を示す遺伝子変異の探索実験は次年度に持ち越すこととした．そのため主な実験は理研内部の電子顕微鏡施設を用いた透過顕微鏡観察と試料調製であったが、gore-tex変異の表現型について理解が深まった．今後は透過電子顕微鏡解析を継続して更に高解像度の像を取得する事で外骨格外被の分子集合プロセスの観察に挑む．またFIB-SEMで得た画像の三次元構築を行い細胞内膜系のマップを正常型組織およびgore-tex変異型組織において作成する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
Covid19蔓延により所属元から指示された出張制限により理研広島拠点および産総研（つくば市）への出張が一部キャンセルされたため研究費を繰り越して次年度で実行することとなった．
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