Mechanisms of nuclear segmentation in granulocytes

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K22742
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 杉原 圭 九州大学, 医学研究院, 助教 (80875881)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2023-03-31
• Keywords: 数理モデル / 形態形成 / 顆粒球 / 分葉核

Outline of Annual Research Achievements

真核細胞の核は，一般的には球状や楕円球状とされている．しかし，自然免疫を担う顆粒球の核は分化・成熟に伴い球状から桿状を経て分葉した構造に変化する．この分葉核形成という特異な形態変化のメカニズムに関わる分子・遺伝子は一部明らかになっているが，形態変化を生じる機構の全容は明らかになっていない．このメカニズムを，数理モデルと生物学的実験を組み合わせて明らかにすることが本研究の目的である．
1. 数理モデル：前年度までに，核膜と一部の内部構造をそれぞれ2次元上の粒子としてで表すことで構造を模倣する計算論的モデルを用いて形態変化のメカニズム予測を行い，結果として(1) 弾性を持つ膜内部で体積減少が生じることで形態変化が生じている可能性があること，(2) 核が一定の空間内に拘束されていることが桿状球という中途段階の形態をつくることに寄与している可能性があること，(3)成熟分化過程での核表面の物性変化と内部構造の変化が多分葉形成に寄与している可能性があること，を明らかにした．今年度は，顆粒球の核形態異常を示すPelger-Huet異常についてモデル上で検討を行った．想定される核と内部構造の相互作用の変化を仮定するだけでは分葉数の減少や分葉構造の消失を再現できないことがわかった．
2. 実験的観察・検証：マウス骨髄中の造血幹細胞からin vitro分化誘導を行い，それに伴う核形態変化過程の一部（40時間程度）をタイムラプスイメージングで観察することができた．結果として，分化の過程で核は形態自体の変化に加えて細胞内で大きく回転・移動している様子が観察された．また，ヒト細胞の観察については所定の手続きを経てサンプル取得・解析を進め，核分葉数と形態パラメータの関係について評価を行った．