微小管-タンパク質モータ相互作用によるネットワーク構築とその数理モデル化に成功 ~細胞骨格の操作に~

情報通信研究機構(NICT)及び明治大学は、細胞骨格の主要要素である微小管とタンパク質モータ・キネシンが自己組織的に形成するネットワークの振る舞いを定量的に明らかにして、その数理モデル化に成功しました。細胞内秩序構造の形成メカニズムの解明とその秩序構造の操作技術につながることが期待されます。

2016年7月27日

微小管-タンパク質モータ相互作用によるネットワーク構築とその数理モデル化に成功 ~細胞の形や硬さを決める細胞骨格の操作技術につながる成果~

【ポイント】

■ 細胞骨格のダイナミクスを試験管内と計算機内でシミュレーションすることに成功

■ 微小管とキネシンが様々なネットワーク構造を作り、大域的な収縮を起こすことを発見

■ 細胞・組織・器官の形態を人為的に制御する技術の開発に貢献するもの

 国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT、理事長: 坂内 正夫)未来ICT研究所の大岩 和弘主管研究員、鳥澤 嵩征研究員及び明治大学理工学部の石原 秀至准教授、谷口 大相研究員の研究グループは、微小管とタンパク質モータ・キネシンが自己組織的に形成するネットワークの振る舞いを定量的に明らかにして、その数理モデル化に成功しました。

 微小管とキネシンは、細胞の形態形成、細胞分裂や細胞内物質輸送などの重要な生命機能の基盤を担う細胞骨格の主要要素です。このネットワークの動態観察システムの構築と理論モデルの確立は、生命現象の様々な場面で現れる細胞内秩序構造の形成メカニズムの解明とその秩序構造の操作技術につながることが期待されます。この成果は、「Biophysical Journal」2016年7月26日号(電子版: 米国東部時間7月26日(火)正午)に発表され、その表紙を飾ります。

 本研究は、国立研究開発法人科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)「生命動態の理解と制御のための基盤技術の創出」研究領域における研究課題「細胞間接着・骨格の秩序形成メカニズムの解明と上皮バリア操作技術の開発」(研究代表者: 月田 早智子)として実施したものです。

【背景】

 真核生物の細胞の中には、チューブリンやアクチンと呼ばれるタンパク質が重合してできたフィラメントが張り巡らされて「細胞骨格」と呼ばれる構造を作っています。この細胞骨格は、様々な生命機能において重要な役割を担っています。重合したフィラメントは、それぞれ微小管とアクチンフィラメントと呼ばれます。アクチンフィラメントは、細胞が移動する際に伸長する葉状仮足や細胞が分裂する際の分裂帯に現れ、微小管は、細胞分裂の際に現れる紡錘体や繊毛上皮細胞の細胞膜直下に見られる網目状構造などの広範囲にわたる秩序構造形成に大きな役割を果たしています。これらの細胞骨格に関しては、様々な角度から国際的にも精力的な研究が行われてきました。しかし、細胞骨格の動態という観点では、アクチンフィラメントに関するものが主であり、微小管とその関連タンパク質によるダイナミクスに関する研究は、限定的であり、網羅的に研究されたものはありませんでした。

【今回の成果】

 今回、私たち研究チームは、わずか二種類のタンパク質要素、タンパク質モータ・キネシン(キネシン-5)と微小管を、一定の比率で混合してエネルギー源であるATP(アデノシン三リン酸)を加えるだけで、自発的に様々な空間的秩序構造を創り出すことを見いだしました。10マイクロメートルほどの長さしかない微小管が、キネシン-5と相互作用することで、1000倍に及ぶセンチメートルサイズの実験槽全域に広がる安定なネットワークを形成し、それが大域的な収縮を起こして崩壊することなど、これまで報告されていなかった現象を発見しました。また、分子生物学的に改変を加えて収縮力の強化を行った変異体キネシン-5が、微小管が放射状に突き出した星状体を多数出現させるという新しい構造ダイナミクスを明らかにしました。さらに、これらの結果を再現する理論モデルを構築、タンパク質モータの「フィラメントを束化する能力」と「滑り運動能」がネットワーク構築に影響することを定量的に示し、その影響を予見することができるようになりました。

【今後の展望】

 細胞骨格のダイナミクスは、細胞の形や振る舞いに影響を与えるだけではなく、細胞集団である組織の形や組織の機能へも影響を与えるものです。わずか二種類のタンパク質の濃度と特性を改変するだけで、細胞骨格の動態を大きく変えられる可能性を示し、その数理モデル化に成功したことで、細胞の機能改変や組織構造変化などの人為的操作を簡潔に行うための技術開発につながるものと期待できます。

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プレスリリース添付画像

微小管とキネシンが創出したネットワーク構造(星状体の中心にキネシンが集積している。)

様々な比で混合した微小管とキネシンが創り出すネットワーク構造の相図

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