細胞質流動から迫る細胞質におけるゆらぎから構造が生じるメカニズム

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: ゆらぎと構造の協奏：非平衡系における普遍法則の確立
• 研究課題/領域番号: 16H00816
• 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, 構造遺伝学研究センター, 教授 (10365447)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 線虫 / 自己組織化 / フィードバック制御 / ゆらぎ / 微小管 / 細胞質流動

研究実績の概要

細胞質流動は細胞内で細胞質全体が流れるように移動する集団的な現象である。本研究課題では、流動場が自発的に形成される３つのタイプ（Circulation型、Saltation型、Rotation型）の細胞質流動を統一的に「ゆらぎと構造の協奏」のコンセプトから説明するモデルを構築する。そして、その妥当性を実験的に検証することを目的とする。今年度は「減数分裂時細胞質流動(MeiCS)」に着目して研究をすすめた。MeiCSの流動方向はあらかじめ決まっていないばかりか、流動の途中で時折逆転することが知られている。このことから、流動の原動力を提供する微小管細胞骨格がある方向に自発的にそろい、また、そろった方向が時間とともに変化することが予想された。我々は、微小管の方向性がそろうために細胞内の小胞体（ER）の網目状構造が必須な役割を果たしていることを明らかにした。網目状構造を実験的に阻害すると流動方向や微小管の方向がそろうことはなかった。このことから、微小管上を小胞体が動くことによって、周囲の微小管を同じ方向に揃えるポジティブフィードバック機構によって流動方向がそろうとするモデルを提唱した。一方で、そろった方向が時間に変化するしくみには「ゆらぎ」が積極的な役割を果たしていることを示した。まず、理論モデルを用いて、微小管が確率的に生成と消滅を繰り返す「ゆらぎ」によって、流動の方向が変化し得ることを示した。さらに、ゆらぎの度合いを抑える実験を行うことにより、理論モデルで予想された通り、流動の方向の変化を抑えることに成功した。さらに、このようにして生じた流動が受精後の胚の機能に寄与することも明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

今年度、本課題の成果を論文発表することができた。査読過程で多くの課題を克服することを要求されたが、その全てについて解決し、受理につなげた。成果はプレスリリースを行なった。

今後の研究の推進方策

実験的及び理論的にモデルのパラメータを変化させ、実験結果とモデルの挙動を比較し、必要ならばモデルの改良を行う。これまでに構築したモデルではSaltation型とCirculation型の違いは定性的には説明できているものの、定量的な説明には至っていない。今年度は領域内共同研究を進め、この問題にも取り組む。

研究成果

• [国際共同研究] キュリー研究所(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: キュリー研究所
• [国際共同研究] EMBL(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: EMBL
• [雑誌論文] Endoplasmic Reticulum-Mediated Microtubule Alignment Governs Cytoplasmic Streaming (2017)
  • 著者名/発表者名: Kenji Kimura, Alexandre Mamane, Tohru Sasaki, Kohta Sato, Jun Takagi, Ritsuya Niwayama, Lars Hufnagel, Yuta Shimamoto, Jean-Francois Joanny, Seiichi Uchida, and Akatsuki Kimura
  • 雑誌名: Nature Cell Biology 巻: 19 ページ: 399-406
  • DOI: 10.1038/ncb3490
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A genetically encoded probe for live-cell imaging of H4K20 monomethylation (2016)
  • 著者名/発表者名: Sato Y., Kujirai T., Arai R., Asakawa H., Ohtsuki C., Horikoshi N., Yamagata K., Ueda J., Nagase T., Haraguchi T., Hiraoka Y., Kimura A., Kurumizaka H., Kimura, H.
  • 雑誌名: J. Mol. Biol. 巻: 428 ページ: 3885-3902
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2016.08.010
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 核はどのようにして細胞の中心を見つけるのか？ (2016)
  • 著者名/発表者名: 谷本博一, 木村健二, 木村暁
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 56 ページ: 271-274
  • DOI: 10.2142/biophys.56.271
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Bayesian Inference of Forces Causing Cytoplasmic Streaming in Caenorhabditis elegans Embryos and Mouse Oocytes. (2016)
  • 著者名/発表者名: Niwayama R., Nagao H., Kitajima T. S., Hufnagel L., Shinohara K., Higuchi T., Ishikawa T., Kimura A.
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 11 ページ: e0159917
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0159917
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Interphase adhesion geometry is transmitted to an internal regulator for spindle orientation via caveolin-1. (2016)
  • 著者名/発表者名: Matsumura S., Kojidani T., Kamioka Y., Uchida S., Haraguchi T., Kimura A., and Toyoshima F.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 ページ: 11858
  • DOI: 10.1038/ncomms11858
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Imaging and modeling of cytoplasmic streaming in the C. elegans embryo. (2016)
  • 著者名/発表者名: Akatsuki Kimura
  • 学会等名: The 54th Annual Meeting of the BSJ
  • 発表場所: Tsukuba
  • 年月日: 2016-11-25 – 2016-11-25
  • 招待講演
• [備考] 流行が作られるしくみ「同調現象」を、細胞の中で発見―細胞質流動の生成と逆転のメカニズム―
  • URL: https://www.nig.ac.jp/nig/ja/2017/03/research-highlights_ja/20170314.html
• [備考] プレスリリース
  • URL: https://www.nig.ac.jp/nig/images/research_highlights/PR20170314.pdf
• [備考] 研究室ウェブサイト
  • URL: https://www.nig.ac.jp/nig/ja/research/organization-top/laboratories/kimura