学術変革領域研究 (A)
バイオロジカルクラスター：
細胞内における超分子複合体の形成機構と機能特性

動原体を構成する複合体が、細胞内で集まって組織化するクラスターの高次構造、クラスター化したことによって得られる特性、クラスター形成を促進する要素およびその制御機構を解明し、染色体分配機能において動原体複合体がクラスター化する重要性の理解を目指します。

高次ゲノム構造を制御するコヒーシン複合体のクラスター構造、クラスター化に関与する要素、クラスター形成の意義を解明し、そのアナロジーを他の必須SMC複合体へと拡張し、SMC複合体のバイオロジカルクラスターという視点から染色体の構造制御の理解を目指します。

染色体分配の確度を保証する染色体パセンジャー複合体(CPC)が、M期セントロメアにつくるクラスターの高次構造、クラスター形成の促進機構、Aurora B反応場としての機能特性を生み出す構造制御を解明し、がん細胞における染色体分配異常との関連の理解を目指します。

微小管形成中心として多様な細胞内機能を担う中心体について、その構成因子群が段階的に超分子複合体へと成熟する機構、中心小体によるプラットフォーム効果を含めたクラスター形成を促進する要素、機能特性を生み出すクラスターの高次構造を解明し、細胞内機能との関連の理解を目指します。

本研究ではPCMなど中心体周辺タンパク質がつくる“ギガクラスター”が細胞外刺激に応答して局在や相互作用がどのように変化するのかを明らかにし，それらの変化が細胞の刺激応答にどのように寄与するかを明らかにする。

免疫受容体の活性化には様々な種類のバイオロジカルクラスターが介在し、効率的な抗原認識、シグナル伝達などを可能にする。本課題では、免疫機構に関わるバイオロジカルクラスターに焦点を当て、その形成機構、制御機構、生物学的意義などを主に構造科学的な観点から明らかにする。

紡錘体は、微小管から構成される超分子複合体であり、染色体分配を担う。本研究では、巨大なメダカ初期胚紡錘体をモデルに、3つの微小管生成経路(中心体・染色体・既存微小管)が連携して機能的紡錘体を形成する仕組みを追究する。

本研究では、アクチン細胞骨格と細胞膜が織りなす力発生や膜変形の分子機構解明に取り組みます。分岐型 (Arp2/3) と直線型 (Formin) のアクチン重合を光制御する手法を人工細胞と培養細胞系に応用し、構造解析やプロテオミクスへの展開を図ることで、力発生の原理と制御メカニズムの解明を目指します。

本研究では、植物の細胞膜上において細胞骨格の動態や分布を制御する超分子複合体に着目し、独自の細胞培養系やin vivo再構成系と領域の技術を駆使してその形成機構および作動機序を明らかにする。

申請者らは、ゴルジ体はGolgi unit と呼ぶ小さい槽のクラスターによって形成され、さらに、各Golgi unit 内部には様々な糖鎖合成酵素がクラスターを作り、Golgi unit の辺縁近くに局在することを最近明らかにした。本研究ではこれらのクラスター形成の分子機構を解明することを目的とする。

分裂期染色体の基本構造を作るクロマチンクラスターに着目し、カエル卵抽出液の無細胞系や精製タンパク質の再構成系など独自に発展させた実験手法を使って、ヌクレオソームやリンカーヒストンへの撹乱が染色体の染色体高次構造に与える影響を多層的に解析することで、染色体構築におけるクロマチン物性の制御メカニズムの理解を目指します。

各超分子複合体を対象に、クライオTEM・SEMを用いて、細胞内および人工細胞内で形成されたクラスター構造の高精度解析を実現し、クライオFIB-SEM、クライオCLEM等、最新のEM/ET技術を駆使して、バイオロジカルクラスターの超微構造解析基盤を確立します。

従来のFCSをベースに極限時空間相関分光法を確立し、それを各種の超解像イメージング法と組み合わせることで、細胞内における分子間相互作用、分子動態、分子数とその空間配置など、細胞内における超分子複合体に関わる動態解析のための技術基盤を構築します。

神経シナプスの形成を誘導する細胞接着分子であるシナプスオーガナイザーの高次会合体によるシナプス形成誘導の分子機構を解明することを目的として、クライオ電子線トモグラフィーを用いた立体構造解析を行います。

神経伝達物質の放出を制御する超分子複合体の細胞内再構成技術、ナノレベル分子計測技術および物理モデリングを組み合わせることで、神経伝達物質放出の制御メカニズムをナノスケールの自己組織化現象の観点から解明することを目指します。

本研究では、クロマチンおよび転写動態との関係に着目し、核膜孔複合体 (NPC) 内のナノ動態とその機能的相関をさらに深く追究することで、分子輸送と遺伝子発現制御における相分離現象の役割を解明することを目指す。

さまざまな超分子複合体の足場である微小管は、構造状態が変わることで結合タンパク質との親和性や自身の長さを調節することが分かってきました。個々の微小管の局所的な状態を可視化する独自手法を駆使し、微小管と結合する超分子複合体の細胞内配置が決定される仕組みの理解を目指します。

本研究は、植物細胞の微小管ネットワーク形成機構を明らかにすることを目的としています。微小管やγ-TuRCの異常(変異)により生じる「ねじれ伸長」現象について、クライオ電顕を用いて構造解析を行い、そのメカニズムの解明を目指します。

近年発見されている非膜オルガネラは特定の生体分子の濃縮・隔離を行っている。その形成に関わる相分離タンパク質の固化もしくは「老化」は疾病の原因となる。しかし、固化の簡便な観測法はなかった。本研究は汎用的観測手法を開発し固化の理解と制御を目指す。領域内共同研究により、細胞内相分離体の理解や治療応用が期待される。

細胞サイズの空間をもつ人工細胞に、目的の超分子複合体をさまざまな条件で導入し、クラスターの組成解析、分子拡散測定、力学測定等の物理的特性を評価する実験系を確立し、クラスター形成に関わる各要素の定量結果に基づいてその理論的基盤を構築します。

超分子複合体のクラスター形成には、分子間の直接的および間接的な相互作用が協働的に働いていることが予想される。領域内のターゲットを対象に、数理モデルを用いてクラスター形成過程を再現することで、その相互作用の協働性を解明し、定式化を行います。

細胞内の細胞骨格形成過程では、構成因子のモノマーと制御タンパク質が相分離によってクラスターを形成し自己組織化を促進している可能性がある。アクチンの自己組織化、大腸菌のチューブリンホモログFtsZ等について、分子シミュレーションによりこの可能性を分析・検証する。

細胞内に特有の非平衡揺らぎと力学特性は、クラスターの機能に深く関与している。そこで細胞内の超分子複合体が形成するバイオクラスターの力学的特性と非平衡揺らぎを計測する新技術を開発する。