光温度遺伝学を活用した生体の自律的パターン形成の解析

利用光热遗传学分析生物体自主模式形成

基本信息

批准号：
22H02626
负责人：
茂木文夫
金额：
$ 11.56万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

生物はその発生過程で、細胞集団の空間パターンをマクロスケールで秩序化することで、組織と器官の形態と機能を作り出す。この細胞集団の秩序化では、それぞれの細胞が機械的力刺激を感知・応答することで、細胞内の化学的シグナル伝達を調節する「力学化学カップリング」を必要とすることが示された。しかしながら、生体内の力学作用は直接可視化することができないので、その分子機構や生理的役割には不明な点が多い。そこで生体内の力を計測・評価・人為操作するための新規技術が必要とされる。本研究では、多細胞生物の発生において力作用の生理的役割を解明するための技術開発を目的とし、マイクロ流体デバイスと赤外域光照射による細胞内温度変化を利用して、力発生に関わる標的因子の機能を素早く阻害する「温度遺伝学法」を開発している。この手法では、細胞内局所の温度変化は高速温度感受性の遺伝子変異を導入した細胞骨格因子によって感知され、力発生の局所的変化へと変換される。線虫C. elegansをモデル動物として用い、細胞内微小管およびアクチン骨格の機能と構造を10-30秒程度で阻害できる高速温度感受性遺伝子変異を同定し、生体をライブイメージングしながら温度変化を導入できる顕微鏡システムを構築した。この技術を活用して、胚発生では多細胞期胚における非対称分裂を対象に、線虫成体では子宮内における卵母細胞の形態形成を対象として、微小管およびアクチン骨格に由来した力発生が細胞集団と組織の空間パターン秩序化に及ぼす影響を解明している。

在发育过程中，生物体通过在宏观尺度上排列细胞群的空间模式来创造组织和器官的形式和功能。研究表明，细胞群的这种排序需要“机械化学耦合”，其中每个细胞感知并响应机械力刺激，从而调节细胞内化学信号转导。然而，由于生物体内的机械作用无法直接可视化，因此其分子机制和生理作用尚有许多未知数。因此，需要新技术来测量、评估和操纵体内的力。在这项研究中，我们的目标是开发技术来阐明力作用在多细胞生物发育中的生理作用，并利用微流体装置和红外光照射引起的细胞内温度变化来瞄准与力产生相关的目标。快速抑制因子功能的“热遗传学方法”。在这种方法中，细胞内的局部温度变化被具有快速温度敏感基因突变的细胞骨架因子感知，并转化为力产生的局部变化。以线虫秀丽隐杆线虫为模型动物，我们鉴定了一种快速温度敏感基因突变，可以在约10-30秒内抑制细胞内微管和肌动蛋白骨架的功能和结构，并在对活体进行实时成像的同时引入温度变化我们构建了一个可以做到这一点的显微镜系统。利用这项技术，我们已经证明，可以在胚胎发育中研究源自微管和肌动蛋白骨架的力的产生，针对多细胞阶段胚胎中的不对称分裂，以及在成年线虫中，在子宫中的卵母细胞形态发生中我们正在阐明其影响。空间格局排序的团体和组织。