From Japanese society for quantitative biology

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Contents

第四回年会 (セッション2)階層性の定量生物学: 個々の要素の振る舞いと集団レベルの秩序形成

講演者: 茅 元司 (東京大学大学院理学系研究科)、谷口 大相 (東京大学大学院総合文化研究科)、前田 礼男 (東京理科大学基礎工学部生物工学科)

日時

2012/1/8 15:45-17:45 セッション2

Chair

  • 高木 拓明 (奈良県立医科大学)

概要

階層レベルを意識した筋収縮の分子機構の解明

  • 茅 元司 (東京大学大学院理学系研究科)

 近年,多くの分子モーターが,細胞内では他分子複合体を形成して機能することがわかってきた.その最たる例が,筋肉内で機能する骨格筋ミオシンである.1つの筋肉の収縮は,億~兆単位のミオシン分子がアクチン繊維と相互作用することにより引き起こされる.これらの分子が,協働的に力と変位を起こしているのか,それともランダム的に個々が機能しているのかは,未だに不明である.その最大の理由は,骨格筋ミオシン1分子の特性が明らかにされていないためである.これまでの研究で,分子を単離した1分子計測系では,骨格筋ミオシン1分子の力や変位を安定して測れないことがわかった.そこで,筋肉内のフィラメント構造を模擬したミオシン3-5分子がアクチンと相互作用可能な多分子複合体をin vitroで再構成して,低ATP濃度における多分子複合体が発する力および変位を計測した.この計測から,ミオシン1分子の特性が見えてきた.さらに,ミオシン1分子の弾性特性を計測し,ミオシンの力・変位発生にどのように寄与しているのかを明らかにした.こうした結果と比較して,生体内に近い環境下,すなわち高ATP濃度,またより多くの分子を含む複合体では,どのような変化が起きるのかを検証し,骨格筋ミオシン1分子の機能が,多分子複合体の機能発現にどのように関わっていくのか議論していく.

参考文献
1. Kaya M, Higuchi H. Nonlinear elasticity and an 8-nm working stroke of single myosin molecules in myofilaments. Science. 2010 Aug 6;329(5992):686-9. [1]

シグナルリン脂質の時空間動態と細胞運動

  • 谷口 大相 (東京大学大学院総合文化研究科)

細胞は動く。
生き物においてかなり一般的に見られるこの現象は、様々な時空間スケールにわたって生命の重要な活動を支えている。真核細胞におけるアメーバ状細胞の運動に関しては、その分子的機構が精力的に研究され、運動に関わる多くの重要な分子がこれまでに特定されきた。
さらに近年、これらの分子が自己組織化によってマクロスケールの波を作り出し、アメーバ細胞の自発的運動を駆動する様子が報告されている[1,2,3]。
本発表ではこれらの研究をふまえ、細胞性粘菌のアメーバ細胞を用いて、シグナルリン脂質PtdIns(3,4,5)P(3)の自己組織化波とそれが引き起こす複雑な形態変化との対応関係を、波のトポロジーという観点から詳細に議論する。これを基に、波のトポロジーに影響する確率論的要因と決定論的要因のせめぎ合いから、全くランダムでもなければ全く規則的でもない自発運動特有の絶妙なリズムがいかにして生みだされるのかについて説明する。

参考文献
1. Arai Y, Shibata T, Matsuoka S, Sato MJ, Yanagida T, Ueda M. Self-organization of the phosphatidylinositol lipids signaling system for random cell migration.
Proc Natl Acad Sci U S A. 2010;107(27):12399-404. [2]
2. Asano Y, Nagasaki A, Uyeda TQ. Correlated waves of actin filaments and PIP3 in Dictyostelium cells. Cell Motil Cytoskeleton. 2008;65(12):923-34.[3]
3. Gerisch G, Ecke M, Schroth-Diez B, Gerwig S, Engel U, Maddera L, Clarke M. Self-organizing actin waves as planar phagocytic cup structures. Cell Adh Migr. 2009;3(4):373-82. [4]

Chirality in planar cell-shape contributes to left-right asymmetric epithelial morphogenesis

  • 前田 礼男 (東京理科大学基礎工学部生物工学科)

 からだや内臓器官の形態の左右非対称性は動物界において広く観察される。脊椎動物を用いたこれまでの研究から、左右軸の形成機構に関する理解が進んでおり、これに関与する遺伝子が同定されている。しかしながら、左右軸情報に基づいた臓器形態の左右非対称な形態形成のプロセスについては、あまりよく理解されていない。
 我々は、遺伝学のモデル動物であるショウジョウバエを用いて、左右非対称な形態形成の機構を明らかにしたいと考えた。ショウジョウバエ胚の消化管の一部である後腸は、左右非対称な形態形成過程で後方から見て反時計回りに90度捻転する。この捻転が起こる機構を明らかにするために、捻転が起こる前の後腸の上皮細胞の頂端面の形状を調べた。その結果、後腸上皮細胞の形状が左右非対称になっていることが明らかになった。我々は、このように細胞が左右非対称に歪んだ性質を、「Planar Cell-shape Chirality: PCC」と名付けた。一方、後腸の捻転後には、後腸上皮細胞の形状は左右対称であった。これまでの我々の研究から、非定型ミオシンIDをコードしている Myosin 31DF ( Myo31DF ) 遺伝子の突然変異体では、後腸の左右非対称性が反転することがわかっている。 Myo31DF 突然変異体において捻転前の後腸上皮細胞の形状を観察したところ、 PCC も反転していた。また、 E-Cadherin ( E-Cad ) をコードしている DE-Cadherin ( DE-Cad ) 遺伝子の突然変異のホモ接合体では、後腸の左右非対称性がランダム化するが、その後腸上皮細胞ではPCCはみられなかった。PCCの形成機構を明らかにするために、E-Cadの細胞内の局在を観察したところ、 Myo31DF に依存した E-Cad の偏った分布が、 PCC の形成に関与している可能性が考えられた。つぎに、PCCが後腸の反時計回りの90度捻転を引き起こしている可能性を、コンピュータ・シミュレーションを用いて検証した。上皮細胞の頂端面をモデル化し、細胞同士の境界にかかる収縮力に左右差を導入したところ、in vivo で観察されるような PCC を再現することができた。 PCC を導入したモデル上皮細胞において、細胞同士の境界にかかる収縮力の左右差をなくし、左右対称な形状へ変化させたところ、生体において見られるような反時計回りの捻転を再現することができた。これらの研究により、 E-Cad の左右非対称な分布に起因する細胞のキラルな形状が、組織レベルの形態変化を引き起こしている可能性が示唆された。

参考文献
1. Taniguchi K, Maeda R, Ando T, Okumura T, Nakazawa N, Hatori R, Nakamura M, Hozumi S, Fujiwara H, Matsuno K. Chirality in planar cell shape contributes to left-right asymmetric epithelial morphogenesis. Science. 2011 Jul 15;333(6040):339-41. [5]

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