細胞内にチューリングパターンは形成可能か？

是否有可能在细胞中形成图灵模式？

基本信息

批准号：
22K19299
负责人：
藤原慶
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

化学反応と分子拡散の共役(反応拡散共役)によって出現するチューリングパターン(TPs)は、動物の縞模様のように細胞間相互作用で出現する現象を説明可能だが、最新研究において細胞内の分子配置にも重要である証拠が集まってきている。もし細胞の分子配置をTPsが決めていることが証明されれば、分子配置メカニズムにおける生命科学の視点は大きく転換する。そこで本研究では、人工細胞内再構成系と精製された要素を利用し、細胞サイズの空間でTPsが形成可能な条件を解明することを目的としている。本研究に関連するものとして、バクテリアの細胞分裂面を決定するタンパク質の極間振動波であるMin波が存在するが、Min波とTPsの違いは、動的な変化を示すか、静的な構造であるかの違いである。そこで、Min波の動的な振る舞いは阻害因子(MinE)が活性化因子(MinD)と局在を共にすることに由来することに着目し、この両者が共存できない条件を創ることでMin波を静的にすることを試みた。具体的には、細胞骨格タンパク質であるFtsZをMinEと結合させ、MinEとMinDの局在を別にする条件を探索した。結果、反応速度と分子拡散の速度を調節することで、MinEとMinDが分離し、MinDが周期的なスポットパターンとして出現する条件を発見した。静的な周期パターンであり、ATPを利用した非平衡性を持ち、FRAP法のような局所刺激による外乱に対する自己修復機能の持つこと、融合によりスポット形状の再編成が生じることからTPsであると結論づけた。現在は理論研究者との共同研究を開し、このパターンが発生するメカニズムの解明とTPsであることの正確な論証を行うことを検討している。また、細胞内でのチューリングパターン形成法として本成果をまとめた論文を執筆中である。

由于化学反应和分子扩散的共轭（反应-扩散共轭）而出现的图灵图案（TP）可以解释细胞与细胞相互作用中出现的现象，例如动物条纹图案，但最新的研究也有越来越多的证据表明这很重要。如果证明TPs决定细胞内的分子排列，生命科学对分子排列机制的看法将发生巨大改变。因此，本研究的目的是阐明通过使用人工细胞内重建系统和纯化元件在细胞大小的空间中形成TP的条件。与这项研究相关的还有Min波，它是决定细菌细胞分裂平面的蛋白质的极间振荡波，但Min波和TPs的区别在于，它们要么表现出动态变化，要么表现出静态结构。因此，我们关注Min波的动态行为源于抑制因子（MinE）与激活因子（MinD）共定位这一事实，通过创造两者不能共存的条件，我们可以抑制Min波我试图让它静止。具体来说，我们将细胞骨架蛋白 FtsZ 与 MinE 结合，并寻找分离 MinE 和 MinD 定位的条件。结果，通过调节反应速率和分子扩散速率，他们发现了MinE和MinD分离以及MinD呈现为周期性斑点图案的条件。它是静态周期性图案，使用ATP不平衡，与FRAP方法一样具有针对局部刺激引起的干扰的自我修复功能，并且由于融合而导致斑点形状重组，因此被认为是TP。我们目前正在与理论研究人员进行联合研究，以阐明这种模式发生的机制，并准确证明它是TP。我们目前还在撰写一篇论文，总结这一结果作为在细胞内形成图灵模式的方法。