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発生や進化の過程では、個体サイズや細胞サイズの大きな変化にもかかわらず、胚内または細胞内に非対称局在する“morphogen”や“細胞極性因子”が同様のプロポーションで局在する「スケーリング」といわれる現象が知られている。タンパク質の空間分布を細胞サイズの変化に応じて変化させるための分子的、物理的基盤はわかっていない。
本研究では、生きた線虫胚で、極性タンパク質PAR-2の1分子イメージングに成功した。1分子動態を解析することにより、細胞膜と細胞質間の交換反応および拡散を特徴づけるパラメーターを包括的に取得した。PAR-2にはサブ秒から分のオーダーの時定数で膜から解離する複数の成分が存在していた。点変異体およびRNAi胚でのPAR-2の動態解析から、この時定数の違いは、PAR-2のリン酸化度合いと重合度の違いによって作り出されることを明らかにした。リン酸化と重合度の違いには、PAR-2の解離時定数を極性軸に沿って非線形に変化させるために機能していた。一方、細胞質から細胞膜上に結合する速度定数は予想外にも極性軸に沿って非対称であった。膜への結合反応には正のフィードバック機構が存在することが明らかになった。最後に、計測から得られた物理パラメーターを数理モデルに導入したところ非対称局在を再現した。このことから、1分子計測で同定した成分は、非対称局在の維持に十分であることがわかった。以上の解析から、これまでの報告とは異なり、PAR-2は細胞表層を拡散によって移動できないほど早い細胞膜と細胞質間の交換反応によって非対称局在を維持していることが明らかになった。数理モデル解析から、この早い交換反応は、細胞サイズの変化や生化学反応揺らぎに対抗して、非対称局在を安定に維持するために重要な機能を持つことが示唆された。今後、本研究の成果をスケーリングのメカニズムの解明に発展させていく。
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