2025/06/30 更新

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ヨシムラ シゲヒロ
吉村 成弘
YOSHIMURA SHIGEHIRO
所属
理学研究院 生物科学部門 教授
職名
教授

研究分野

  • ライフサイエンス / 生物物理学

  • ライフサイエンス / 機能生物化学

  • ライフサイエンス / 構造生物化学

経歴

  • 京都大学大学院 生命科学研究科 准教授 

    2007年4月 - 現在

研究テーマ・研究キーワード

  • 研究テーマ: 原子間力顕微鏡

    研究キーワード: 原子間力顕微鏡

    研究期間: 2025年

  • 研究テーマ: ナノバイオロジー

    研究キーワード: ナノバイオロジー

    研究期間: 2025年

  • 研究テーマ: Single-molecule measurement

    研究キーワード: Single-molecule measurement

    研究期間: 2025年

  • 研究テーマ: Nanobiology

    研究キーワード: Nanobiology

    研究期間: 2025年

  • 研究テーマ: Atomic Force Microscopy

    研究キーワード: Atomic Force Microscopy

    研究期間: 2025年

  • 研究テーマ: 1分子計測

    研究キーワード: 1分子計測

    研究期間: 2025年

論文

  • Acoustic modulation of mechanosensitive genes and adipocyte differentiation 査読

    Kumeta, M; Otani, M; Toyoda, M; Yoshimura, SH

    COMMUNICATIONS BIOLOGY   8 ( 1 )   595   2025年4月   eISSN:2399-3642

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Communications Biology  

    Eukaryotic cells are equipped with multiple mechanosensory systems and perceive a wide range of mechanical stimuli from the environment. However, cell-level responses to audible range of acoustic waves, which transmit feeble yet highly frequent physical perturbations, remain largely unexplored. Here, we established a direct sound emission system with a vibrational transducer, and acoustic waves at frequency 440 Hz, 14 kHz, and white noise were transmitted to the murine C2C12 myoblasts at 100 Pa intensity. After 2 and 24 h sound emission, 42 and 145 differentially expressed genes, respectively, were identified using RNA-sequencing. Both cell- and sound-related factors important for inducing gene responses were further investigated. The activation of prostaglandin-endoperoxide synthase 2/cyclooxygenase-2 (Ptgs2/Cox-2), a high and immediate sound-responding gene, is dependent on focal adhesion kinase activation and mediates sound-triggered gene responses by activating prostaglandin E2 synthesis. Adipocyte cells exhibited prominently high sound responses, and their differentiation was significantly suppressed by continuous or periodic acoustic stimulation. Collectively, these findings redefine acoustic waves as cellular stimulators and provide new avenues for applying acoustic techniques in biosciences.

    DOI: 10.1038/s42003-025-07969-1

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    その他リンク: https://www.nature.com/articles/s42003-025-07969-1

  • Dual SLIPT-A Lipid Mimic to Enable Spatiotemporally Defined, Sequential Protein Dimerization 査読

    Bayer, KV; Taeb, M; Koch, B; Yoshimura, SH; Wombacher, R

    ACS CHEMICAL BIOLOGY   20 ( 5 )   1038 - 1047   2025年4月   ISSN:1554-8929 eISSN:1554-8937

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:ACS Chemical Biology  

    Spatiotemporal control of proteins is crucial for cellular phenomena such as signal integration, propagation, as well as managing crosstalk. In membrane-associated signaling, this regulation is often enabled by lipids, wherein highly dynamic, sequential recruitment of interacting proteins is key to successful signaling. Here, we present dual SLIPT (self-localizing ligand-induced protein translocation), a lipid-analog tool, capable of emulating this lipid-mediated sequential recruitment of any two proteins of interest. Dual SLIPT self-localizes to the inner leaflet of the plasma membrane (PM). There, dual SLIPT presents trimethoprim (TMP) and HaloTag ligand (HTL) to cytosolic proteins of interest (POIs), whereupon POIs fused to the protein tags <sup>iK6</sup>eDHFR, or to HOB are recruited. A systematic extension of the linkers connecting the two mutually orthogonal headgroups was implemented to overcome the steric clash between the recruited POIs. Using Förster resonance energy transfer (FRET), we verify that the resulting probe is capable of simultaneous binding of both proteins of interest, as well as their dimerization. Dual SLIPT was found to be particularly suitable for use in physiologically relevant concentrations, such as recruitment via tightly regulated, transient lipid species. We further expanded dual SLIPT to the photocontrollable dual SLIPT<sup>NVOC</sup>, by introducing a photocaging group onto the TMP moiety. Dual SLIPT<sup>NVOC</sup> enables sequential and spatiotemporally defined dimerization upon blue light irradiation. Thus, dual SLIPT<sup>NVOC</sup> serves as a close mimic of physiology, enabling interrogation of dynamic cytosol-to-plasma membrane recruitment events and their impact on signaling.

    DOI: 10.1021/acschembio.4c00856

    Web of Science

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  • Spatial organizations of heterochromatin underpin nuclear structural integrity of ventricular cardiomyocytes against mechanical stress (vol 43, 115048, 2024)

    Fujiwara, K; Inoue, T; Kimoto, A; Zixian, J; Tokuhiro, K; Yasukochi, Y; Akama, TO; Cai, CL; Shiojima, I; Kimura, H; Yoshimura, SH; Nakamura, T; Hirai, M

    CELL REPORTS   44 ( 2 )   2025年2月   ISSN:2211-1247

  • Proliferation marker Ki-67 regulates cell cycle progression via liquid-liquid phase separation.

    Yoshimura, SH; Kosako, H

    CANCER SCIENCE   116   1805 - 1805   2025年1月   ISSN:1347-9032 eISSN:1349-7006

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  • A novel function of Importin-α1 in micronuclei and its pathophysiological significance in cancer cells

    Miyamoto, Y; Yoshimura, SH; Oka, M; Saitoh, H; Katagiri, T

    CANCER SCIENCE   116   1411 - 1411   2025年1月   ISSN:1347-9032 eISSN:1349-7006

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  • Spatial organizations of heterochromatin underpin nuclear structural integrity of ventricular cardiomyocytes against mechanical stress 査読

    Fujiwara, K; Inoue, T; Kimoto, A; Zixian, J; Tokuhiro, K; Yasukochi, Y; Akama, TO; Cai, CL; Shiojima, I; Kimura, H; Yoshimura, SH; Nakamura, T; Hirai, M

    CELL REPORTS   43 ( 12 )   115048 - 115048   2024年12月   ISSN:2211-1247

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Cell Reports  

    Cardiomyocyte (CM) nuclei are constantly exposed to mechanical stress, but how they maintain their nuclear shape remains unknown. In this study, we found that ventricular CM nuclei acquire characteristic prominent spatial organizations of heterochromatin (SOH), which are disrupted by high-level expression of H2B-mCherry in mice. SOH disruption was associated with nuclear softening, leading to extreme elongation and rupture under unidirectional mechanical stress. Loosened chromatin then leaks into the cytosol, causing severe inflammation and cardiac dysfunction. Although SOH disruption was accompanied by loosened higher-order genomic structures, the change in gene expression before nuclear deformation was mild, suggesting that SOH play major roles in nuclear structural integrity. Aged CM nuclei consistently exhibited scattered SOH and marked elongation. Furthermore, we provide mechanistic insight into the development and maintenance of SOH driven by chromatin compaction and condensate formation. These results highlight SOH as a safeguard of nuclear shape and genomic integrity against mechanical stress.

    DOI: 10.1016/j.celrep.2024.115048

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  • Machine learning-guided reconstruction of cytoskeleton network from live-cell AFM images 査読

    Ju, HQ; Skibbe, H; Fukui, M; Yoshimura, SH; Naoki, H

    ISCIENCE   27 ( 10 )   110907 - 110907   2024年10月   ISSN:2589-0042 eISSN:2589-0042

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Iscience  

    How actin filaments (F-actins) are dynamically reorganized in motile cells at the level of individual filaments is an open question. To find the answer, a high-speed atomic force microscopy (HS-AFM) system has been developed to live-imagine intracellular dynamics of the individual F-actins. However, noise and low resolution made it difficult to fully recognize individual F-actins in the HS-AFM images. To tackle this problem, we developed a new machine learning method that quantitatively recognizes individual F-actins. The method estimates F-actin orientation from the image while improving the resolution. We found that F-actins were oriented at ±35° toward the membrane in the lamellipodia, which is consistent with Arp2/3 complex-induced branching. Furthermore, in the cell cortex our results showed non-random orientation at four specific angles, suggesting a new mechanism for F-actin organization demonstrating the potential of our newly developed method to fundamentally improve our understanding of the structural dynamics of F-actin networks.

    DOI: 10.1016/j.isci.2024.110907

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  • Charge block-driven liquid-liquid phase separation - mechanism and biological roles 査読

    Koyama, T; Iso, N; Norizoe, Y; Sakaue, T; Yoshimura, SH

    JOURNAL OF CELL SCIENCE   137 ( 11 )   2024年6月   ISSN:0021-9533 eISSN:1477-9137

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Journal of Cell Science  

    Liquid–liquid phase separation (LLPS) has increasingly been found to play pivotal roles in a number of intracellular events and reactions, and has introduced a new paradigm in cell biology to explain protein–protein and enzyme–ligand interactions beyond conventional molecular and biochemical theories. LLPS is driven by the cumulative effects of weak and promiscuous interactions, including electrostatic, hydrophobic and cation–π interactions, among polypeptides containing intrinsically disordered regions (IDRs) and describes the macroscopic behaviours of IDR-containing proteins in an intracellular milieu. Recent studies have revealed that interactions between ‘charge blocks’ – clusters of like charges along the polypeptide chain – strongly induce LLPS and play fundamental roles in its spatiotemporal regulation. Introducing a new parameter, termed ‘charge blockiness’, into physicochemical models of disordered polypeptides has yielded a better understanding of how the intrinsic amino acid sequence of a polypeptide determines the spatiotemporal occurrence of LLPS within a cell. Charge blockiness might also explain why some post-translational modifications segregate within IDRs and how they regulate LLPS. In this Review, we summarise recent progress towards understanding the mechanism and biological roles of charge block-driven LLPS and discuss how this new characteristic parameter of polypeptides offers new possibilities in the fields of structural biology and cell biology.

    DOI: 10.1242/jcs.261394

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  • Host ZCCHC3 blocks HIV-1 infection and production through a dual mechanism 査読

    Yi, B; Tanaka, YL; Cornish, D; Kosako, H; Butlertanaka, EP; Sengupta, P; Lippincott-Schwartz, J; Hultquist, JF; Saito, A; Yoshimura, SH

    ISCIENCE   27 ( 3 )   109107 - 109107   2024年3月   ISSN:2589-0042 eISSN:2589-0042

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    担当区分:責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Iscience  

    Most mammalian cells prevent viral infection and proliferation by expressing various restriction factors and sensors that activate the immune system. Several host restriction factors that inhibit human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) have been identified, but most of them are antagonized by viral proteins. Here, we describe CCHC-type zinc-finger-containing protein 3 (ZCCHC3) as a novel HIV-1 restriction factor that suppresses the production of HIV-1 and other retroviruses, but does not appear to be directly antagonized by viral proteins. It acts by binding to Gag nucleocapsid (GagNC) via zinc-finger motifs, which inhibits viral genome recruitment and results in genome-deficient virion production. ZCCHC3 also binds to the long terminal repeat on the viral genome via the middle-folded domain, sequestering the viral genome to P-bodies, which leads to decreased viral replication and production. This distinct, dual-acting antiviral mechanism makes upregulation of ZCCHC3 a novel potential therapeutic strategy.

    DOI: 10.1016/j.isci.2024.109107

    Web of Science

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  • Mechanisms of length-dependent recognition of viral double-stranded RNA by RIG-I (vol 13, 6318, 2023)

    Im, JH; Duic, I; Yoshimura, SH; Onomoto, K; Yoneyama, M; Kato, H; Fujita, T

    SCIENTIFIC REPORTS   14 ( 1 )   835   2024年1月   ISSN:2045-2322

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    記述言語:英語   出版者・発行元:Scientific Reports  

    Correction to: Scientific Reports, published online 18 April 2023 The original version of this Article contained errors in Figures. 2, 3 and 5 and the legends where the statistical analyses were incorrect. The original Figures 2, 3 and 5 and accompanying legends appear below. (Figure presented.) (Figure presented.) (Figure presented.) Dissociation of RIG-I/poly (I:C) complex in the presence of ATP. (a) Recombinant RIG-I (insect cells) was incubated with LMW or HMW poly (I:C) at 37 °C for 60 min as in Fig. 1C. RIG-I/poly (I:C) complexes on magnetic beads were collected. After washing the beads three times, ATP was added to the beads at final concentration of 1 mM and incubated at 37 °C for different times. RIG-I/dsRNA complexes remaining on the beads were isolated and analyzed by immunoblotting using anti-Flag (top). The dissociation kinetics was determining by quantification of the band intensities (bottom). The uncropped original blots are shown in Supplementary Fig. S8a. (b) AFM observation of RIG-I/HMW poly (I:C) complex. RIG-I and HMW poly (I:C) were incubated at 37 °C for 30 min, then further incubated in the presence of 1 mM ATP and subjected to AFM analysis. Four representative fields are shown. For size comparison, see AFM image of naïve RIG-I in Fig. 3A. (c) The effect of ATP on the dissociation of RIG-I/LMW poly (I:C) complex was analyzed. The RIG-I/LMW poly (I:C) complexes formed on the magnetic beads were isolated and incubated in the absence or presence of 1 mM ATP at 37 °C for different times. RIG-I bound to poly (I:C) (beads) was analyzed by immunoblotting as in (a). The uncropped original blots are shown in Supplementary Fig. S8b. (d) The effect of AMP-PNP on dissociation of RIG-I/LMW poly (I:C) complex. RIG-I/LMW poly (I:C) complex was incubated in the absence or presence of 1 mM AMP-PNP or ATP and analyzed as in (a). The uncropped original blot is shown in Supplementary Fig. S8c. The percentage of association and dissociation was calculated from band intensities (bottom). Error bars represent standard deviation (n = 3). *P < 0.05,. **P < 0.01, unpaired Student’s t test. n.s, not significant. Morphological analysis of RIG-I protein by AFM. (a) Purified Flag-tagged RIG-I expressed in 293 T cells (naïve RIG-I, METHODS) was analyzed by AFM (top). Naïve RIG-I was incubated with 1 mM ATP (middle). Naïve RIG-I was bound to immobilized LMW poly (I:C) and incubated with 1 mM ATP for 30 min and released RIG-I (dissociated RIG-I) was recovered and subjected to AFM analysis (bottom). Enlarged images are shown as inset (500 × 500 nm2). (b) The diameter of objects observed by AFM were measured and plotted as histogram. Average diameter (c), height (d) and volume (e) were similarly determined. Error bars represent standard deviation (n = 50). ***P < 0.001, unpaired Student’s t test. n.s, not significant. Biological activity of dissociated RIG-I in cells. (a) 293 T cells were transfected with p-55C1BLuc, reporter gene containing repetitive IRF3 binding sites, and pRL-TK as an internal control vector. Twenty-four hours after transfection, cells were transfected with 1 µg of naïve or dissociated RIG-I protein, isolated from MDA5 KO 293 T cells, by protein transfection reagent for 2 h (METHODS). After 4 h cultivation with fresh medium, cell extracts were prepared for dual-luciferase assay. Relative firefly luciferase activity normalized by Renilla luciferase activity is shown. Luciferase activity data are the average of 2 independent experiments. Error bars represent standard deviation (n = 2). *P < 0.05, unpaired Student’s t-test. n.s, not significant. (b) The cell extracts were analyzed by native PAGE for IRF-3 dimer formation. The positions of monomers and dimers are indicated. The uncropped original blot is shown in Supplementary Fig. S10. (c) Naïve or dissociated RIG-I protein, isolated from MDA5 KO 293 T cells, was transfected into HeLa by after 30 min incubation with RNase III. The expression level of IFNB was analyzed by qPCR. Error bars represent standard deviation (n = 2). *P < 0.05, unpaired Student’s t-test. In addition, the Supplementary Information file published with this Article contained an error in the Supplementary Figure S1. The original Supplementary Information file is provided below. The original Article and the Supplementary Information file have been corrected.

    DOI: 10.1038/s41598-023-50644-w

    Web of Science

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  • Charge block-driven liquid-liquid phase separation: A mechanism of how phosphorylation regulates phase behavior of disordered proteins 査読

    Shimamura, H; Yamazaki, H; Yoshimura, SH

    BIOPHYSICS AND PHYSICOBIOLOGY   21 ( 2 )   n/a - n/a   2024年   ISSN:2189-4779 eISSN:2189-4779

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    担当区分:責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:一般社団法人 日本生物物理学会  

    Phosphorylation regulates protein function by modulating stereospecific interactions between protein-protein or enzyme-ligand. On the other hand, many bioinformatics studies have demonstrated that phosphorylation preferably occurs in intrinsically disordered regions (IDRs), which do not have any secondary and tertiary structures. Although studies have demonstrated that phosphorylation changes the phase behavior of IDRs, the mechanism, which is distinct from the “stereospecific” effect, had not been elucidated. Here, we describe how phosphorylation in IDRs regulates the protein function by modulating phase behavior. Mitotic phosphorylation in the IDRs of Ki-67 and NPM1 promotes or suppresses liquid-liquid phase separation, respectively, by altering the “charge blockiness” along the polypeptide chain. The phosphorylation-mediated regulation of liquid-liquid phase separation by enhancing or suppressing "charge blockiness," rather than by modulating stereospecific interactions, may provide one of the general mechanisms of protein regulation by posttranslational modifications and the role of multiple phosphorylations.

    DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v21.0012

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    CiNii Research

  • Yes-associated protein regulates cortical actin architecture and dynamics through intracellular translocation of Rho GTPase-activating protein 18 査読

    Zhang, YS; Kitagawa, T; Furutani-Seiki, M; Yoshimura, SH

    FASEB JOURNAL   37 ( 9 )   e23161   2023年9月   ISSN:0892-6638 eISSN:1530-6860

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    担当区分:責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:FASEB Journal  

    Yes-associated protein (YAP) is a transcriptional co-activator that controls the transcription of target genes and modulates the structures of various cytoskeletal architecture as mechanical responses. Although it has been known that YAP regulates actin-regulatory proteins, the detailed molecular mechanism of how they control and coordinate intracellular actin architecture remains elusive. Herein, we aimed to examine the structure and dynamics of intracellular actin architecture from molecular to cellular scales in normal and YAP-knockout (YAP-KO) cells utilizing high-speed atomic force microscopy (HS-AFM) for live-cell imaging and other microscope-based mechanical manipulation and measurement techniques. YAP-KO Madin–Darby canine kidney cells had a higher density and turnover of actin filaments in the cell cortex and a higher elastic modulus. Laser aberration assay demonstrated that YAP-KO cells were more resistant to damage than normal cells. We also found that Rho GTPase-activating protein 18 (ARHGAP18), a downstream factor of YAP, translocated from the cortex to the edge of sparsely cultured YAP-KO cells. It resulted in high RhoA activity and promotion of actin polymerization in the cell cortex and their reductions at the edge. HS-AFM imaging of live cell edge and a cell-migration assay demonstrated lower membrane dynamics and motility of YAP-KO cells than those of normal cells, suggesting lower actin dynamics at the edge. Together, these results demonstrate that a YAP-dependent pathway changes the intracellular distribution of RhoGAP and modulates actin dynamics in different parts of the cell, providing a mechanistic insight into how a mechano-sensitive transcription cofactor regulates multiple intracellular actin architecture and coordinates mechano-responses.

    DOI: 10.1096/fj.202201992R

    Web of Science

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    PubMed

  • Self-assembly of CIP4 drives actin-mediated asymmetric pit-closing in clathrin-mediated endocytosis

    Yu, YM; Yoshimura, SH

    NATURE COMMUNICATIONS   14 ( 1 )   4602   2023年8月   eISSN:2041-1723

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    記述言語:英語   出版者・発行元:Nature Communications  

    Clathrin-mediated endocytosis is pivotal to signal transduction pathways between the extracellular environment and the intracellular space. Evidence from live-cell imaging and super-resolution microscopy of mammalian cells suggests an asymmetric distribution of actin fibres near the clathrin-coated pit, which induces asymmetric pit-closing rather than radial constriction. However, detailed molecular mechanisms of this ‘asymmetricity’ remain elusive. Herein, we used high-speed atomic force microscopy to demonstrate that CIP4, a multi-domain protein with a classic F-BAR domain and intrinsically disordered regions, is necessary for asymmetric pit-closing. Strong self-assembly of CIP4 via intrinsically disordered regions, together with stereospecific interactions with the curved membrane and actin-regulating proteins, generates a small actin-rich environment near the pit, which deforms the membrane and closes the pit. Our results provide mechanistic insights into how disordered and structured domain collaboration promotes spatio-temporal actin polymerisation near the plasma membrane.

    DOI: 10.1038/s41467-023-40390-y

    Web of Science

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    PubMed

  • Multidimensional fractal scaling analysis using higher order moving average polynomials and its fast algorithm 査読

    Ju, HQ; Honda, N; Yoshimura, SH; Kaneko, M; Shigematsu, T; Kiyono, K

    SIGNAL PROCESSING   208   2023年7月   ISSN:0165-1684 eISSN:1872-7557

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Signal Processing  

    The detrending moving average (DMA) analysis demonstrates excellent performance for the characterization of long-range correlations and fractal scaling and is performed in various research fields. The conventional DMA with a simple moving average can remove linear trends embedded in the observed time series. To improve the detrending ability of the DMA, higher-order DMA including a higher order polynomial detrending was also introduced using the Savitzky-Golay filter and its fast implementation algorithm was developed. However, the higher-order DMA applicable to higher dimensional data is yet to be well established. As the data dimension increases, an increase in the computational cost becomes a problem that needs to be resolved. Further, the implementation of the higher order DMA is a time-consuming procedure. To resolve this problem, we here proposed a fast algorithm for multidimensional DMA with higher order polynomial detrending. In the proposed algorithm, to reduce the computational complexity, parallel translation and recurrence techniques are introduced. Monte Carlo experiments for two-dimensional data show that the computational time of the proposed algorithm is approximately proportional to the cubic of the data length, whereas the computational time of the conventional implementation is approximately proportional to the quartic of the data length. Moreover, we evaluate the estimation accuracy of the Hurst exponent of the proposed method. Finally, we demonstrate the possible application of the proposed method by estimating the Hurst exponent of images.

    DOI: 10.1016/j.sigpro.2023.108997

    Web of Science

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  • Mechanisms of length-dependent recognition of viral double-stranded RNA by RIG-I 査読

    Im, JH; Duic, I; Yoshimura, SH; Onomoto, K; Yoneyama, M; Kato, H; Fujita, T

    SCIENTIFIC REPORTS   13 ( 1 )   6318   2023年4月   ISSN:2045-2322

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Scientific Reports  

    Retinoic acid-inducible gene I (RIG-I) is the most front-line cytoplasmic viral RNA sensor and induces antiviral immune responses. RIG-I recognizes short double-stranded (dsRNA) (< 500 bp), but not long dsRNA (> 500 bp) to trigger antiviral signaling. Since RIG-I is capable of binding with dsRNA irrespective of size, length-dependent RIG-I signaling remains elusive. Here, we demonstrated that RIG-I bound to long dsRNA with slow kinetics. Remarkably, RIG-I/short dsRNA complex efficiently dissociated in an ATP hydrolysis-dependent manner, whereas RIG-I/long dsRNA was stable and did not dissociate. Our study suggests that the dissociation of RIG-I from RIG-I/dsRNA complex could be a step for efficient antiviral signaling. Dissociated RIG-I exhibited homo-oligomerization, acquiring ability to physically associate with MAVS, and biological activity upon introduction into living cells. We herein discuss common and unique mechanisms of viral dsRNA recognition by RIG-I and MDA5.

    DOI: 10.1038/s41598-023-33208-w

    Web of Science

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  • タンパク質のリン酸化は,なぜ非構造領域に群がるのか?

    吉村 成弘

    生化学   95 ( 1 )   29 - 39   2023年2月   ISSN:00371017

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:公益社団法人日本生化学会  

    リン酸化をはじめとするタンパク質翻訳後修飾は,「立体構造特異的」にタンパク質機能を制御すると考えられてきた.しかし,近年のバイオインフォマティクス解析からは,翻訳後修飾の多くは,立体構造を持たないタンパク質領域(天然変性領域)に生じることが示されている.リン酸化が天然変性領域の液–液相分離を制御する事例が報告されているが,そのメカニズムは不明であった.ここでは,近年報告されたリン酸化の「電荷ブロック」型の液–液相分離制御機構に焦点を当て,従来の「立体構造特異的」制御との相違点を交えながらその特徴を解説する.

    DOI: 10.14952/seikagaku.2023.950029

    CiNii Research

  • 電荷ブロック型液-液相分離の仕組みとリン酸化による制御

    山崎 啓也, 吉村 成弘

    生物物理   63 ( 3 )   153 - 156   2023年   ISSN:05824052 eISSN:13474219

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人 日本生物物理学会  

    <p>タンパク質のリン酸化は,非構造領域(IDR)で高頻度に生じる.この事実は,リン酸化によるタンパク質機能制御が,従来の「立体構造特異性」のみでは説明しきれないことを示す.本稿では,IDRにおけるリン酸化が,電荷ブロックを形成・消失させることで液-液相分離を促進・抑制するという新しい仕組みを概説する.</p>

    DOI: 10.2142/biophys.63.153

    CiNii Research

  • Nuclear import receptors are recruited by FG-nucleoporins to rescue hallmarks of TDP-43 proteinopathy 査読

    Khalil, B; Chhangani, D; Wren, MC; Smith, CL; Lee, JH; Li, XL; Puttinger, C; Tsai, CW; Fortin, G; Morderer, D; Gao, JL; Liu, FL; Lim, CK; Chen, JJ; Chou, CC; Croft, CL; Gleixner, AM; Donnelly, CJ; Golde, TE; Petrucelli, L; Oskarsson, B; Dickson, DW; Zhang, K; Shorter, J; Yoshimura, SH; Barmada, SJ; Rincon-Limas, DE; Rossoll, W

    MOLECULAR NEURODEGENERATION   17 ( 1 )   80   2022年12月   eISSN:1750-1326

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Molecular Neurodegeneration  

    Background: Cytoplasmic mislocalization and aggregation of TAR DNA-binding protein-43 (TDP-43) is a hallmark of the amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia (ALS/FTD) disease spectrum, causing both nuclear loss-of-function and cytoplasmic toxic gain-of-function phenotypes. While TDP-43 proteinopathy has been associated with defects in nucleocytoplasmic transport, this process is still poorly understood. Here we study the role of karyopherin-β1 (KPNB1) and other nuclear import receptors in regulating TDP-43 pathology. Methods: We used immunostaining, immunoprecipitation, biochemical and toxicity assays in cell lines, primary neuron and organotypic mouse brain slice cultures, to determine the impact of KPNB1 on the solubility, localization, and toxicity of pathological TDP-43 constructs. Postmortem patient brain and spinal cord tissue was stained to assess KPNB1 colocalization with TDP-43 inclusions. Turbidity assays were employed to study the dissolution and prevention of aggregation of recombinant TDP-43 fibrils in vitro. Fly models of TDP-43 proteinopathy were used to determine the effect of KPNB1 on their neurodegenerative phenotype in vivo. Results: We discovered that several members of the nuclear import receptor protein family can reduce the formation of pathological TDP-43 aggregates. Using KPNB1 as a model, we found that its activity depends on the prion-like C-terminal region of TDP-43, which mediates the co-aggregation with phenylalanine and glycine-rich nucleoporins (FG-Nups) such as Nup62. KPNB1 is recruited into these co-aggregates where it acts as a molecular chaperone that reverses aberrant phase transition of Nup62 and TDP-43. These findings are supported by the discovery that Nup62 and KPNB1 are also sequestered into pathological TDP-43 aggregates in ALS/FTD postmortem CNS tissue, and by the identification of the fly ortholog of KPNB1 as a strong protective modifier in Drosophila models of TDP-43 proteinopathy. Our results show that KPNB1 can rescue all hallmarks of TDP-43 pathology, by restoring its solubility and nuclear localization, and reducing neurodegeneration in cellular and animal models of ALS/FTD. Conclusion: Our findings suggest a novel NLS-independent mechanism where, analogous to its canonical role in dissolving the diffusion barrier formed by FG-Nups in the nuclear pore, KPNB1 is recruited into TDP-43/FG-Nup co-aggregates present in TDP-43 proteinopathies and therapeutically reverses their deleterious phase transition and mislocalization, mitigating neurodegeneration. Graphical Abstract: [Figure not available: see fulltext.].

    DOI: 10.1186/s13024-022-00585-1

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  • Cell cycle-specific phase separation regulated by protein charge blockiness

    Yamazaki, H; Takagi, M; Kosako, H; Hirano, T; Yoshimura, SH

    NATURE CELL BIOLOGY   24 ( 5 )   625 - +   2022年5月   ISSN:1465-7392 eISSN:1476-4679

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    記述言語:英語   出版者・発行元:Springer Nature  

    Dynamic morphological changes of intracellular organelles are often regulated by protein phosphorylation or dephosphorylation<sup>1–6</sup>. Phosphorylation modulates stereospecific interactions among structured proteins, but how it controls molecular interactions among unstructured proteins and regulates their macroscopic behaviours remains unknown. Here we determined the cell cycle-specific behaviour of Ki-67, which localizes to the nucleoli during interphase and relocates to the chromosome periphery during mitosis. Mitotic hyperphosphorylation of disordered repeat domains of Ki-67 generates alternating charge blocks in these domains and increases their propensity for liquid–liquid phase separation (LLPS). A phosphomimetic sequence and the sequences with enhanced charge blockiness underwent strong LLPS in vitro and induced chromosome periphery formation in vivo. Conversely, mitotic hyperphosphorylation of NPM1 diminished a charge block and suppressed LLPS, resulting in nucleolar dissolution. Cell cycle-specific phase separation can be modulated via phosphorylation by enhancing or reducing the charge blockiness of disordered regions, rather than by attaching phosphate groups to specific sites.

    DOI: 10.1038/s41556-022-00903-1

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

    CiNii Research

  • 翻訳後修飾による細胞内液-液相分離制御機能の解明

    吉村 成弘

    日本プロテオーム学会大会要旨集   2022 ( 0 )   2S25 - 2S25   2022年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:日本プロテオーム学会(日本ヒトプロテオーム機構)  

    DOI: 10.14889/jhupo.2022.0.2s25.0

    CiNii Research

  • Self-assembly of CIP4 drives actin-mediated asymmetric pit-closing in clathrin-mediated endocytosis 査読

    Shige Yoshimura

    BioRxiv   2022年

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    担当区分:責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1101/2022.11.21.517438

    Web of Science

  • Cell cycle-specific phase separation regulated by protein charge blockiness 査読

    H.Yamazaki, M.Takagi, H.Kosako, T.Hirano, S.H.Yoshimura

    Nature Cell Biology.24(5):625-632. DOI:10.1038/s41556-022-00903-1.   2022年   ISSN:1465-7392 eISSN:1476-4679

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    担当区分:責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Springer Science and Business Media LLC  

    Abstract

    Dynamic morphological changes of intracellular organelles are often regulated by protein phosphorylation or dephosphorylation<sup>1–6</sup>. Phosphorylation modulates stereospecific interactions among structured proteins, but how it controls molecular interactions among unstructured proteins and regulates their macroscopic behaviours remains unknown. Here we determined the cell cycle-specific behaviour of Ki-67, which localizes to the nucleoli during interphase and relocates to the chromosome periphery during mitosis. Mitotic hyperphosphorylation of disordered repeat domains of Ki-67 generates alternating charge blocks in these domains and increases their propensity for liquid–liquid phase separation (LLPS). A phosphomimetic sequence and the sequences with enhanced charge blockiness underwent strong LLPS in vitro and induced chromosome periphery formation in vivo. Conversely, mitotic hyperphosphorylation of NPM1 diminished a charge block and suppressed LLPS, resulting in nucleolar dissolution. Cell cycle-specific phase separation can be modulated via phosphorylation by enhancing or reducing the charge blockiness of disordered regions, rather than by attaching phosphate groups to specific sites.

    その他リンク: https://www.nature.com/articles/s41556-022-00903-1

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講演・口頭発表等

  • タンパク・ゲノム動態の視点から考えるDNA損傷修復制御~放射線誘発DNA二本鎖切断の修復機構全貌解明を目指して~ 電荷ブロック駆動型液-液相分離とタンパク質リン酸化によるその制御(Charge block-driven liquid-liquid phase separation and its regulation by mitotic protein phosphorylation)

    山崎 啓也, 高木 昌俊, 小迫 英尊, 平野 達也, 吉村 成弘

    日本放射線影響学会大会講演要旨集  2023年11月  (一社)日本放射線影響学会

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    記述言語:英語  

  • 微小核におけるImportin-α1の新機能とがんにおける病態的意義(A novel function of Importin-α1 in micronuclei and its pathophysiological significance in cancer cells)

    宮本 洋一, 吉村 成弘, 岡 正啓, 斉藤 寿仁, 片桐 豊雅

    日本癌学会総会記事  2024年9月  (一社)日本癌学会

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    記述言語:英語  

  • 機械学習を駆使して高速AFM画像から細胞骨格ネットワーク構造の再構成(Machine learning-guided reconstruction of cytoskeleton network from Live-cell AFM Images)

    Kiku Kanaki, Yoshimura Shigehiro, Henrik Skibbe, Honda Naoki

    生物物理  2022年8月  (一社)日本生物物理学会

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    記述言語:英語  

  • 相分離の駆動力:多様な細胞機能への展開 電荷ブロックによる液液相分離のメカニズムとその細胞分裂期タンパク質リン酸化による制御

    山崎 啓也, 高木 昌俊, 小迫 英尊, 平野 達也, 吉村 成弘

    日本生化学会大会プログラム・講演要旨集  2023年10月  (公社)日本生化学会

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    記述言語:日本語  

  • 相分離集合体から迫る新しいがん研究 増殖マーカタンパク質Ki-67は液-液相分離により細胞周期を制御する(Biomolecular condensates as a new hallmark of cancer Proliferation marker Ki-67 regulates cell cycle progression via liquid-liquid phase separation)

    吉村 成弘, 小迫 英尊

    日本癌学会総会記事  2024年9月  (一社)日本癌学会

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    記述言語:英語  

  • 電荷ブロック駆動型液-液相分離の翻訳後修飾による制御機構の解明

    山崎啓也, 高木昌俊, 小迫英尊, 平野達也, 吉村成弘

    細胞生物学会  2024年7月 

  • 電荷ブロック駆動型液-液相分離とリン酸化による制御機構の解明 招待

    吉村成弘

    第33回DOJINフォーラム 相分離メガネで見る非膜オルガネラのダイナミクス  2023年10月 

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    記述言語:日本語  

  • 翻訳後修飾による細胞内非膜オルガネラの構造機能制御機構 招待

    吉村成弘

    第6回ExCELLSシンポジウム  2024年1月 

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    記述言語:日本語  

  • 翻訳後修飾による液‐液相分離制御機構の解明 招待

    吉村 成弘

    第45回 日本分子生物学会年会(幕張,日本)  2022年12月 

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    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  • 翻訳後修飾による液-液相分離制御機構の解明 招待

    吉村 成弘

    LLPS研究会(オンライン開催)  2022年6月 

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    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  • 翻訳後修飾による液-液相分離制御機構の解明 招待

    吉村 成弘

    徳島大学酵素学研究セミナー(広島,日本)  2023年3月 

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    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  • 翻訳後修飾による液-液相分離制御機構 招待

    吉村 成弘

    日本プロテオーム学会 2022年大会(相模原,日本)  2022年8月 

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    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  • 細胞分裂期におけるタンパク質リン酸化の電荷ブロック制御による液-液相分離メカニズムの解明 招待

    山﨑啓也, 高木昌俊, 小迫英尊, 平野達也, 吉村成弘

    日本放射線影響学会  2023年11月 

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    記述言語:日本語  

  • 細胞分裂期におけるタンパク質リン酸化の電荷ブロック制御による液-液相分離メカニズムの解明

    山﨑啓也, 高木昌俊, 小迫英尊, 平野達也, 吉村成弘

    第69回日本生化学会大会  2023年10月 

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    記述言語:日本語  

  • 相分離がもたらす医療・創薬の新展開 招待

    吉村成弘

    千里ライフサイエンスセミナー  2023年5月 

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    記述言語:日本語  

  • 新規抗HIV-1宿主因子ZCCHC3はウイルス産生ならびに感染性を低下させる

    吉村成弘

    感染症キャンプ  2024年1月 

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    記述言語:日本語  

  • リン酸化による細胞内液-液相分離制御機構 招待

    吉村 成弘

    定量生物学の会 第10回年会(広島,日本)  2022年12月 

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    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  • リン酸化による液-液相分離の制御機構 招待

    吉村成弘, 山﨑啓也, 小迫英尊

    第15回日本生物物理学会中国四国支部大会  2024年5月 

  • ライブセル高速原子間力顕微鏡による細胞表層骨格の可視化とメカノセンシング機構の解明 招待

    吉村成弘, Y. Yiming

    日本機械学会 第35回バイオエンジニアリング講演会  2023年6月 

  • “How do proteins shape, work and interact in a cell?” 招待

    S.H. Yoshimura

    Amgen Scholars Program Asia Symposium  2023年8月 

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    記述言語:英語  

  • Molecular mechanism of how liquid-liquid phase separation is regulated by post-translational modifications

    S. H. Yoshimura

    Mini-symposium on Biomolecular Condensates  2024年3月 

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    記述言語:英語  

  • Antiretroviral host factor sequesters viral RNA and protein in biological condensate 招待

    S. H. Yoshimura

    日本免疫学会学術講演会  2024年1月 

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    記述言語:英語  

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MISC

  • 電荷ブロック型液-液相分離の仕組みとリン酸化による制御

    山崎 啓也, 吉村 成弘

    生物物理   63 ( 3 )   153 - 156   2023年5月   ISSN:0582-4052

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:(一社)日本生物物理学会  

    リン酸化(PPL)は、その基質またはパートナー蛋白質との立体特異的相互作用を変化させることにより蛋白質の機能を調節する。しかし最近の研究で、PPLは三次構造を持たない蛋白質の非構造領域(IDR)でよく起こることが示された。IDRにおいてどのようにPPLが起こり、蛋白質の機能を調節するかについて、これまでの研究成果を基に概説した。

  • タンパク質のリン酸化は,なぜ非構造領域に群がるのか? リン酸化が生み出す「電荷ブロック」型の液-液相分離制御

    吉村 成弘

    生化学   95 ( 1 )   29 - 39   2023年2月   ISSN:0037-1017

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:(公社)日本生化学会  

    リン酸化をはじめとするタンパク質翻訳後修飾は,「立体構造特異的」にタンパク質機能を制御すると考えられてきた.しかし,近年のバイオインフォマティクス解析からは,翻訳後修飾の多くは,立体構造を持たないタンパク質領域(天然変性領域)に生じることが示されている.リン酸化が天然変性領域の液-液相分離を制御する事例が報告されているが,そのメカニズムは不明であった.ここでは,近年報告されたリン酸化の「電荷ブロック」型の液-液相分離制御機構に焦点を当て,従来の「立体構造特異的」制御との相違点を交えながらその特徴を解説する.(著者抄録)

  • 【印刷中】電荷ブロック型液-液相分離の仕組みとリン酸化による制御、生物物理 査読

    山﨑 啓也, 吉村 成弘

    2023年

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    記述言語:日本語   掲載種別:記事・総説・解説・論説等(その他)  

  • 【印刷中】タンパク質のリン酸化は、なぜ非構造領域に群がるのか?~リン酸化が生む出す「電荷ブロック」型の液-液相分離制御~、 査読

    吉村 成弘

    2023年

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    担当区分:責任著者   記述言語:日本語   掲載種別:記事・総説・解説・論説等(その他)  

  • タンパク質クラウディング状態の蛍光プローブによる測定 査読

    吉村 成弘

    実験医学別冊 相分離解析プロトコール   146 - 153   2022年

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    担当区分:責任著者   記述言語:日本語   掲載種別:記事・総説・解説・論説等(学術雑誌)  

所属学協会

  • 日本顕微鏡学会

    2018年4月 - 現在

  • 日本生物物理学会

    2014年4月 - 現在

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 翻訳後修飾による細胞内非膜型オルガネラの構造・機能制御機構の解明

    研究課題/領域番号:23H00369  2023年4月 - 2027年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    吉村 成弘, 小迫 英尊, 坂上 貴洋

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    資金種別:科研費

    リン酸化やメチル化に代表される「タンパク質翻訳後修飾」は、タンパク質の機能・動態制御や細胞内シグナル伝達で重要な役割を果たしている。近年、リン酸化は天然変性領域に多く生じること、天然変性領域は細胞内で液-液相分離を起こしやすいこと、が着目され、リン酸化が液-液相分離を制御する例が報告されつつある。しかしそのメカニズムや細胞内での作用機序は全く不明である。本研究課題では「リン酸化等の翻訳後修飾はいかにして細胞内液-液相分離を制御するか」を学術的な問いとして設定し、細胞内非膜オルガネラの形成・崩壊が、翻訳後修飾により制御される基盤原理を解明することを目的とする。
    研究項目Ⅰ
    ストレス応答で重要な役割を果たしているストレス顆粒の形成と、その主要成分のG3BP1のメチル化との関係を明らかにした。GFP融合G3BP1をHeLa細胞に発現させ、ストレス処理した後に抽出液を調製し、抗GFPナノボディによる免疫沈降を行い、LC-MS/MS解析した。その結果、C末端領域のアルギニン残基のメチル化がストレスによって減少することが分かった。また、ストレス応答で機能する非膜オルガネラp-bodyに関して、近以ビオチンラベル法を用いて、抗レトロウイルス宿主因子ZCCHC3がウイルスRNAをp-bodyに封じ込めることを明らかにした。
    細胞周期の進行に伴うリン酸化の比較定量解析では、野生型およびKi-67を欠失したHCT116細胞に対し、ノコダゾール処理によってM期で停止させた細胞と、停止を解除した細胞の4種類を用意し、トリプシン消化、安定同位体を含む16種類のTMTag試薬での標識、リン酸化ペプチドの精製などをおこなった後にLC-MS/MS解析した。その結果、48551種類のリン酸化ペプチドを定量することに成功し、分裂期進行にともなうリン酸化量変化の網羅的定量データを得た。
    研究項目Ⅱ
    電荷ブロック効果による液-液相分離の物理的メカニズム解明に向け、アミノ酸残基を荷電モノマーと見立てたポリペプチド鎖粗視化モデルの構築に着手した。電荷ブロック特性の異なる複数のポリペプチド鎖溶液について、濃度、熱エネルギーに対する静電相互作用の相対的強度を系統的に変化させ、液-液相分離の相図を作成した。その結果、電荷ブロック性と液-液相分離の起こりやすさとの間に、強い相関を見出した。また、ポリペプチド鎖の統計的な形態についての解析を行い、液-液相分離の起こりやすさが、希薄溶液におけるポリペプチド鎖の凝縮傾向とも関連していることを見出した。これらの結果について総説論文を執筆した。
    研究項目Ⅰでは、免疫沈降したG3BP1の消化物に対し、ショットガン法とPparallel Reaction Monitoring法による質量分析を行うことにより、メチル化部位を同定し、さらにストレスによる変化を定量することができた。またTMT法を用いた大規模比較定量リン酸化プロテオミクスにより、分裂期停止中と解除後における網羅的なリン酸化の変動を検出することに成功したため、本研究は順調に進展していると判断した。
    また、研究項目Ⅱの粗視化モデルの構築とシミュレーションの実行、解析についても、おおよそ予定通りに進展しており、得られた結果の考察や研究代表者との議論を通して、電荷ブロック効果による液-液相分離という現象についての理論的な理解を深めることができている。
    G3BP1はストレスを受けるとC末端の天然変性領域のアルギニン残基が脱メチル化されることによってストレス顆粒の形成を促進する可能性がある。本研究によってメチル化修飾が変化するアルギニン残基が複数同定されたため、変異体を用いた解析を進める予定である。またKi-67の多数のリン酸化部位を同定・定量することができたため、リン酸化による電荷ブロック効果への影響を検討する。さらに、分裂期進行に伴うリン酸化量変化の網羅的比較定量情報から、Ki-67の欠失に伴って変化する他のリン酸化タンパク質を検索し、Ki-67との機能的関連を解析する予定である。
    また、研究項目Ⅱでは、これまで特定の配列のポリペプチド鎖のみからなる溶液を対象としてきたが、今後は、複数種のポリペプチド鎖の混合溶液における液-液相分離の解析へと展開する。ここでは、それぞれのポリペプチド鎖間のアフィニティにより、多相共存などの多様な相分離挙動が予測され、新たな解析手法が必要となる。また、リン酸化などの翻訳後修飾による相挙動の変化のモデリングについても着手していく。

    CiNii Research

  • 力が制御する生体秩序の創発

    研究課題/領域番号:22H05164  2022年6月 - 2027年3月

    科学研究費助成事業  学術変革領域研究(A)

    茂木 文夫, 柊 卓志, 見学 美根子, 柴田 達夫, 近藤 武史, Phng LiKun, 吉村 成弘

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    資金種別:科研費

    生物が卵から個体に至る過程では、様々な細胞がそれぞれの運命に従うことで、組織固有の形と機能を獲得する。この生体発生は、これまで細胞内外分子の化学反応として解釈されてきたが、細胞集団の運命・形・機能がマクロスケールで自律的に調和する組織化の理解は未だ遅れている。本領域では、既存概念に欠ける「力作用による生体秩序化の制御」を解明し、発生を「力学作用と化学反応のフィードバックによる細胞集団秩序の創発」と再定義することで、その基盤原理を包括的に理解する。情報計測と理論解析の新技術を駆使して、力作用を介して細胞集団が自律的に形質転換する法則を理解することで、生体システム設計のパラダイムシフトを達成する。
    力作用による生体システム秩序化の制御機構を解明することを目標とし、本計画では細胞生物学・発生生物学・バイオエンジニアリング・情報計測・理論解析を専門とする研究室を集結させ、既存の枠に収まらない新規の異分野融合領域を創成する。生体システムの秩序化を「力学作用を利用して自律的に形質転換するシステム」という新しい理論体系で解明するために、発生力学3項目(A01「生体の自律的秩序化における細胞由来の力作用の役割」、A02「生体の自律的秩序化における細胞外“場”由来の力作用の役割」、A03 公募研究「力による生体秩序化の多様性と普遍性の解明に関する研究」と、生体計測解析2項目(B01「生体内力発生の定量的計測とその理論解析」、B02 公募研究「力学計測・解析を加速する新技術開発に関する研究」)を連携させた研究体制を構築した。総括班は、領域内研究者間の有機的連携による共同研究をサポートして領域研究にシナジー効果を誘導する役割を担い、研究者間に垣根のない機能的な研究ネットワークを構築するためのプログラムを策定した。定期的な領域全体会議の開催、毎週開催するオンライン研究セミナー、4項目の研究支援ファシリティ運営(イメージング・力学計測・メカノゲノミクス・数理解析)、共同研究をサポートする「交流キャンプ」プログラムを遂行することで、計画研究と公募研究の連携を促進する。研究成果の発信には、複数の学会年会におけるシンポジウムの開催と、領域ホームページの作成とSNSによる情報提供に加えて、国際シンポジウムの開催を2024年度に企画している。
    総括班は、領域内研究者間の有機的連携をサポートするために、以下のプログラムを推進してきた。
    <BR>
    1) 研究方針の策定:本領域研究の達成目標を、領域内メンバー全員に明瞭に提示し、総括班分担者とともに研究方針を策定し遂行することで、計画研究と公募研究の連携を統括した。
    2)国際化の推進:領域内のコミュニケーションを英語化し、国際性の強化とダイバーシティの促進によって、公募研究による領域研究の多様化を促し、研究成果の国際発信や国外機関との連携を推進した。
    3) 領域全体会議:総括班は、研究方針と研究支援ファシリティーの運営方針を議論する「領域全体会議」をリードする役割を担う。領域全体会議には、若手研究者を積極的に関与させることで、次世代リーダーの育成に資する。2022年度は2回の領域全体会議を、札幌と京都で開催した。
    4)領域内コミュニケーションの促進 若手研究者が他研究室に滞在する「交流キャンプ」を企画し、2023年4月から開始する
    総括班は、引き続き研究者間の有機的連携をサポートするために、以下のプログラムを推進する。
    <BR>
    1)領域内の共同研究促進による学際的研究を目指して、領域内研究者が研究発表する以下3つのプログラム「研究セミナー(オンラインで毎週開催)」、「領域全体会議(2023年6月に金沢で開催予定)」、「領域トピックワークショップ(2023年秋頃に開催予定)」を遂行する。共同研究促進に向けては、領域内設備の共有化を目指してイメージング・メカノゲノミクス・生体計測・数理理論解析の研究支援ファシリティーを運営する。
    2)領域運営、業務連絡、研究報告まで全て英語で行うことで、本領域の国際化を継続して取り組む。また、2024年6月には本領域が主催として国際シンポジウムを開催する予定で、本領域の研究成果を国際的に宣伝する。
    3)領域全体会議は、2023年6月に金沢で開催予定。
    4)若手研究者が他研究室に滞在する際に必要な旅費と滞在費をサポートする「交流キャンプ」プログラムを2023年4月からスタートさせる。

    CiNii Research

  • 生体内力作用の定量的計測技術開発

    研究課題/領域番号:22H05171  2022年6月 - 2027年3月

    科学研究費助成事業  学術変革領域研究(A)

    吉村 成弘, 宮崎 牧人, 谷本 博一

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    資金種別:科研費

    自律的秩序化による組織形成システムの作動原理および、その過程での力のはたらきを包括的に理解するには、様々な形態の三次元組織を対象とした力の「計測」と「操作」が必要不可欠である。本研究課題は、原子間力顕微鏡、磁気ピンセット、人工細胞、光遺伝学ツール等の基盤技術を統合し、細胞から組織スケールをカバーする幅広いサイズの試料を対象に、その内部および表層にはたらく力を「計測・操作」する新規技術を確立することを目的とする。
    研究項目Ⅰ:発生多細胞システムにおける表層メカニクスの力学的解析法の確立
    細胞表層骨格の力学性質決定に関与すると考えられているタンパク質群に関して、原子間力顕微鏡(AFM)等を用いて詳細な機能解析を行った結果、ARHGAP18の細胞内局在が、表層アクチンの構造と性質を制御していることを明らかにした(論文投稿済み)。また、高速AFMを用いて、細胞表層におけるアクチン重合と細胞膜変形とを繋ぐ仕組みを解明することに成功した(論文投稿済み)。多細胞試料保持のためのPDMSチャンバに関しては、京都大学ナノハブと共同しながら、線虫胚を保持するためのチャンバ作成に着手した。
    研究項目Ⅱ:磁気プローブのin situ調節に基づく生体内部構造の力学計測
    磁気ピンセットは、生体深部に定量的な力学摂動を印加するほぼ唯一の手法であるが、多細胞システムへの応用は限定的である。そこで本年度は、磁気プローブの性質を生体内で「in situ調節」することで多細胞システムに適用可能な磁気ピンセットの構築を目指し、光遺伝学的手法による磁気プローブの表面状態制御に取り組んだ。先行研究に基づいて光制御可能なナノボディを精製し、その標的結合能力が光制御できることを試験管内で確かめた。
    研究項目Ⅲ:リポソームを用いた細胞間力学計測・操作技術の開発
    組織内部に働く力を計測・操作する手法として、生体に注入した油滴やゲルの変形から周囲の応力を推定する方法が近年報告されているが、いずれも生体親和性が低く、長時間の計測・操作には適さない。そこで初年度は、生体親和性の高い力学計測・操作プローブを開発することを目的として、リポソームの脂質組成と形成効率、サイズ分布の関係を定量化し、適当な大きさのリポソームが高効率で形成される条件の検討を行った(論文準備中)。また、リポソーム内にアクチン細胞骨格を封入する技術を開発した(論文準備中)。
    項目Ⅰでは、培養細胞における力計測技術に関しては、確立済みであり、これを多細胞体へと応用するためのシステム作り(顕微鏡システムの構築及びチャンバの作成)が順調に進行している。項目Ⅱでは、本年度中に先行研究を再現することに成功しており、概ね順調に進んでいると考える。項目Ⅲでは、初年度の半年間で、リポソーム形成効率の定量評価やアクチン細胞骨格を封入する技術を確立できたほか、マウス胚培養用の培地中でのリポソームの形成にも成功していることから、概ね順調に進んでいると考えている。
    項目Ⅰでは、2023年度に力測定用AFMシステムを購入予定であり、これを現有の蛍光顕微鏡システムと組み合わせて、ハイブリッド計測システムを構築する。これを用いて、線虫胚を対象とした力計測系を構築し、茂木と共同で変異株の測定を試みる。項目Ⅱでは、今後、精製したナノボディが細胞内において光制御できる条件を探索するとともに、磁気ピンセット測定に用いるプローブをナノボディで修飾して細胞内に導入する技術を確立する。また、光刺激-蛍光観察の同時実現系を構築し、それを用いて細胞内でナノボディを光制御する条件を確立する。項目Ⅲでは、リポソーム内部に様々な硬さのゲルを封入する技術を開発するとともに、細胞間接着を形成するカドヘリンをリポソーム表面に結合させる技術を確立する。これらのリポソームを線虫およびマウスの初期胚から単離した細胞と融合させ、生体親和性の評価を行う。

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  • 細胞表層イメージング技術で解明するエンドサイトーシスのグローバル制御機構

    研究課題/領域番号:18H02436 

    吉村 成弘

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    資金種別:科研費

    高速原子間力顕微鏡(高速AFM)と共焦点レーザ顕微鏡との相関イメージング法により、クラスリン依存的エンドサイトーシスの閉口過程では、膜変形活性を持つCIP-4タンパク質が、低分子量Gタンパク質を介してピット周辺に集合し、アクチン重合を促進することで近傍の細胞膜を変形させるという詳細な分子機構を解明することに成功した。さらに、ポリジメチルシロキサンを用いた超薄型ストレッチチャンバおよび細胞伸展装置を開発し、高速AFM装置に組み込むことに成功した。これを用いて一次元の伸展刺激がエンドサイトーシスに及ぼす影響を解析したところ、開口過程と閉口過程の一部に張力依存的ステップを同定することに成功した。

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  • ライブセルハイブリッドイメージングによる細胞膜微細構造変化の分子機構解明

    研究課題/領域番号:18KK0196 

    吉村 成弘, 粂田 昌宏, 吉田 藍子, パウデル サラド, 植村 知博, 岩根 敦子

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    資金種別:科研費

    高速原子間力顕微鏡(高速AFM)と蛍光顕微鏡のハイブリッドライブイメージングシステムにより、クラスリン依存的エンドサイトーシスにおける細胞膜の変形過程の詳細な分子機構を解明することに成功した。膜変形活性を持つCIP-4タンパク質が、低分子量Gタンパク質を介してピット周辺に集合し、アクチン重合を促進することで近傍の細胞膜を変形させることが重要であることを明らかにした。また、膜形態の光回析限界を超えた同時観察を可能とするために、高速AFMと薄層斜光照明技術のハイブリッド顕微鏡の構築に取り組み、細胞膜上の蛍光標識分子の1分子イメージングおよび超解像画像取得に成功した。

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