【研究領域課題番号】19K06578 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

血管新生 / 細胞動態 / バイオイメージング / 生物物理

【研究成果の概要】

本研究の目的は、不均一な動態を示す細胞集団が統合された機能体である血管を形成するメカニズムの解明である。具体的には、血管新生におけるUターン動態を含む内皮細胞のマクロスコピックな動態特性および動態メカニズムを定量的に明らかにする。特に、細胞群の力学的相互作用が個々の細胞動態パターンに及ぼす影響を明らかにし、細胞動態メカニズムを細胞の力覚応答の観点から明らかにする。
前年度までに、マウス大動脈組織片を用いたin vitro血管新生モデル（大動脈リングアッセイ）において、内皮細胞が血管伸長方向に進行後、方向転換して新生血管部根元まで逆走する興味深い細胞往復運動（Uターン動態）を発見した。 ( N. Takubo, et. al. Sci. Rep. 9, 9304 (2019))。また、前年度確立した培養内皮細胞（マウス膵臓由来内皮細胞（MS-1））のみから構成されるin vitro ２次元血管新生モデルを用いてライブイメージングを行い、他の血管細胞からの動態への影響が無い内皮細胞固有の動態を観察した。これまでに開発した自動セルトラッキングシステムを用いて内皮細胞の１細胞動態解析を行った結果、本モデルでもUターン動態を含む不均一な内皮細胞動態が観測された。さらに、本モデルにおいて細胞配向の解析を行った結果、細胞外基質外の内皮細胞供給源において細胞集団のマクロスコピックな流れが存在することが確認された。このことから、内皮細胞供給源には細胞流が引き起こす不均一な応力場が発生していると考えられる。
今年度は、新生血管および細胞外基質外の細胞動態を定量解析するための細胞外基質精密成形技術を用いた血管新生モデルを確立した。このモデルを用いて細胞動態観察を行った結果、血管伸長と細胞外基質外のマクロスコピックな細胞流が関係することが確認された。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究領域課題番号】19H03192 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物物理 / バイオイメージング / 超解像顕微鏡 / １分子イメージング / 生体分子計測 / ナノ定量解析 / 生細胞分子動態 / 生体分子機能 / 細胞情報・動態 / 超解像イメージング / １分子イメージング軌跡追跡 / 移動部分軌跡解析法 / 動態・局在ナノ相関解析 / 液相分離

【研究成果の概要】

超解像顕微鏡法と１分子イメージングの同時観察から得られる分子局在・分子動態・分子間相互作用の定量データ群を、統合的に関連付ける新しい方法を開拓した。生細胞で、超解像イメージングと１分子蛍光イメージングとを同時観察できる蛍光顕微鏡を、従来開発技術を改良し高精度化した。１分子イメージング動態解析、超解像解析ともに、従来法の改良に加え、種々の定量法を導入し、多種の定量データを取得可能にした。ナノ局在・１分子イメージング・領域マーカーの多種多色画像を関連付け、解析する手法を開発し、分子機能の解明に結びつける方法を開拓した。転写複合体、核小体、ヘテロクマチンに関し、液相の観点から特徴を明らかにした。

【研究の社会的意義】

生体分子の機能を明らかし、生命の働きの分子機構を解明することは、生命現象を分子レベルで理解するために必須である。この理解は、健康な生活や疾病の予防・治療へとつながる。現在、遺伝子やタンパク質などの配列情報や、生体分子の原子座標レベルでの立体構造は、格段の技術的進歩により大きく解明されている。しかし、実際に生きている細胞の中で、どのように分子が動き、他分子と相互作用し、生命機能を実現しているのかという、動的な状態と機能との関係は、未解明の点が多く残されている。本研究の成果は、この問題解決に新たな手法を提示し、分子機能と機構の解明に飛躍知をもたらす礎となり、生命科学全般への波及効果が期待できる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】25291032 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

１分子イメージング / バイオイメージング / 細胞機能と構造 / 超解像顕微鏡 / 生体分子計測 / 生細胞分子動態 / 生物物理 / 細胞情報・動態

【研究成果の概要】

光学顕微鏡における生細胞蛍光１分子超解像顕微鏡法を超解像法へと発展させ、生細胞分子動態を定量し、分子機構を解明することを目的として、次の３項目を行った。１．超解像１分子顕微鏡システムの改良。照明光の均質化、結像系の最適化、画像の位置ずれ抑制を中心に、高解像度化を行った。２．超解像多色同期１分子イメージング解析法の改良。超解像分子動態・相互作用解析における多色同期画像を用いた高精度解析において、多色間画像の位置ずれ補正を中心に改良した。３．生細胞シグナル伝達の超解像１分子イメージング・定量解析。上記技術を用い、シグナル伝達や転写・細胞核構造に関わる分子の動態解析を推進した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【研究分野】生体生命情報学

【研究領域課題番号】24240045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生体生命情報学 / シグナル伝達 / 再生医学 / 生物物理 / 神経科学 / 細胞内Mgイオン / パーキンソン病 / 細胞内Caイオン / 興奮電位 / iPS細胞 / 螢光イメージング / 細胞死 / バイオイメージング / 蛍光プローブ / 細胞内Mgイオン動態 / ミトコンドリア / Ｍｇ動員 / GABA / リン酸化酵素 / 新規Mgプローブ / FRET / 一酸化窒素（NO）

【研究成果の概要】

(1)細胞内の特定器官に局在する新規Mgプローブを開発し、ミトコンドリアから細胞質に放出されるMgイオン動態を解析した。(2)一酸化窒素刺激（NO）に伴う細胞内Mgイオン濃度の上昇が、NO/cGMP/KMGシグナル伝達に伴うミトコンドリアからのMgイオン流出によるものであることを示した。(3)パーキンソン病と細胞内Mgとの関係について明らかにすることを目指し、PC12細胞をパーキンソン病様に細胞死させるMPP+（1-methyl- 4-phenylpyridinium ion）で処理した。細胞内Mgイオン濃度と細胞死は強く相関し、MgイオンがMPP+による細胞死を緩和することを突きとめた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】45,760千円 (直接経費: 35,200千円、間接経費: 10,560千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】24227005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査プローブ顕微鏡 / 1分子計測・操作 / バイオイメージング / タンパク質 / 細胞 / ダイナミクス / AFM / 走査型イオン伝導顕微鏡 / 構造生物 / １分子計測・操作 / 1分子計測 / 生物物理 / ナノバイオ / 生体分子 / 原子間力顕微鏡 / 高速AFM / イメージング / 細胞内オルガネラ / 機能動態

【研究成果の概要】

三つの課題に取り組んだ。課題1では、既に確立した高速AFMを利用して多様な蛋白質系で起こる動的プロセスを観察し、機能メカニズムに迫るとともに、従来技術では困難な天然変性蛋白質の構造解析が高速AFMで可能であることを実証した。課題2では、振動を起こさずに広域を高速走査する技術やイメージング中に試料を操作可能なインターラクティブ高速AFMを開発し、その有効性を実証した。また、カンチレバー走査方式の高速AFMと蛍光顕微鏡との複合機を開発し、蛍光像と高速AFM像の同時取得を実現した。課題3では、非接触観察可能な走査型イオン伝導顕微鏡の高速化に向け要素技術を開発し、約100倍の高速化に成功した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2012-05-31 - 2017-03-31

【配分額】215,540千円 (直接経費: 165,800千円、間接経費: 49,740千円)

【研究分野】神経・筋肉生理学

【研究領域課題番号】23300146 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生理学 / 細胞・組織 / 生体分子 / ナノバイオ / 心筋 / 筋肉生理学 / 分子・細胞生理学 / 分子心臓学 / 生物物理学 / バイオイメージング / ナノバイオシステム / １分子イメージング・ナノ計測 / 医用物理学 / 生物物理一般 / 生物物理

【研究成果の概要】

1）ラット培養幼若心筋細胞のZ線にAcGFPを発現させ、収縮の最小単位であるサルコメアの長さ変化を細胞内Ca濃度変化と同時にnm精度で解析できるシステムの構築に成功した。2）ラット培養幼若心筋細胞において、約38℃以上の条件下、高速（~10 Hz）のサルコメア振動（HSOs）が生じることを見出した。3）マウスin vivo心臓において、心筋細胞内ナノ分子情報を抽出できる新たな顕微システムを構築し、サルコメアの動きを高空間・時間分解能で捉えることに成功した。4）Frank-Starling機構について解析し、その程度が細いフィラメントの”on-off”平衡に依存していることを見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】22227005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生体分子モーター / １分子生物学 / 化学力学フィードバック / 筋収縮自励振動 / SPOC / 細胞分裂 / 人工細胞 / 細胞熱力学 / 筋収縮系自励振動(SPOC) / 細胞分裂機構 / 生物運動制御 / 人工細胞系 / 筋収縮系自励振動 / 筋収縮系自励振動（SPOC） / 1分子計測・操作 / 運動・輸送 / バイオイメージング / 細胞骨格・運動 / 細胞構造・機能 / 生物運動系階層構造・機能 / 生物物理

【研究成果の概要】

本研究の第一の目標は、輸送・振動・分裂などの生物要素運動に必要な分子モーターや細胞骨格動態などが生み出す力が、要素運動の制御にフィードバックするという化学力学フィードバックループ（CMFループ）の存在を明らかにすることであった。その点、筋収縮自励振動（SPOC）現象における「ミオシンクロスブリッジ（CB）による力発生、筋フィラメントの滑り運動、フィラメント格子間隔の変化、CB形成確率の変化」というループの存在が強く示唆されたこと、外力パルス依存的に染色体分配のタイミングが調節されること、細胞質分裂に必要な収縮環の形成を人工細胞系で実現するなど、CMF ループの具体例を示すことができた。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2010-04-01 - 2016-03-31

【配分額】217,750千円 (直接経費: 167,500千円、間接経費: 50,250千円)