微小管-タンパク質モータ相互作用によるネットワーク構築とその数理モデル化に成功

細胞骨格のダイナミクスは、細胞の形や振る舞いに影響を与えるだけではなく、細胞集団である組織の形や組織の機能へも影響を与えるものです。わずか二種類のタンパク質の濃度と特性を改変するだけで、細胞骨格の動態を大きく変えられる可能性を示し、その数理モデル化に成功したことで、細胞の機能改変や組織構造変化などの人為的操作を簡潔に行うための技術開発につながるものと期待できます。

本論文への鳥澤と谷口の貢献は同等であり、両者は筆頭著者です。また、大岩、鳥澤、谷口が本研究を設計企画、鳥澤が実験を実施しました。谷口と石原は、数理モデル化とシミュレーションデザインを行い、谷口、鳥澤、石原が、シミュレーションを実施しました。得られたデータの解釈と論文執筆は著者全員で行いました。

細胞は、ダイナミックにその形を変えて、様々な生命活動を行います。この細胞のダイナミックな構造変化は、細胞の骨組みとして働いている「細胞骨格」と呼ばれるタンパク質フィラメントと、それに結合するタンパク質群によって行われています。細胞骨格は、重合と脱重合を繰り返すことによってダイナミックにその形を変えますが、同時にフィラメントに結合するタンパク質の働きによっても変化します。図4に示す例のように、細胞分裂時には、染色体を娘細胞に分ける働きを持つ有糸分裂紡錘体が微小管のネットワークから創出してきます。また、細胞分裂において細胞をくびりきるのはアクチンフィラメントの働きです。また、細胞の中央から端に向けて様々な物質を輸送したり、筋肉を収縮したりするのは、タンパク質モータ（ミオシン、キネシン、ダイニン）がタンパク質フィラメントと共に働く結果生じる現象です。このような細胞骨格とそのダイナミクスを創り出す基本的原理を明らかにすることは、細胞の形態変化、ひいては細胞の集団である組織・器官の形態形成の原理の解明につながり、それを操作する技術の開発にもつながる可能性を持った研究です。

さらに、大きな構造変化を想定して、ミリメートルにも広がる実験槽を準備して実験を行いました。微小管束化能力と滑り運動を起こす能力を兼ね備えるキネシン-5 と微小管を混合して、その混合比、濃度などのパラメータを変化させることで相変化を引き起こし、この秩序化の相図を詳細に記載しました（図2参照）。

微小管のプラス端に集積して星状体構造を形成するキネシン-5は、その濃度が低い場合には、星状体同士を接続するものの全体構造は変化させません（静的ネットワーク）。しかし、キネシン-5の濃度を上げると、微小管ネットワーク全体はゆっくり縮み始め、やがて、ネットワークの一部が崩壊して急激な収縮を生じます。微小管より200倍も柔軟で、比較的短いフィラメントでできているアクチンフィラメントのネットワークでは、このような収縮はマイクロメートル・スケールで頻繁に観察され報告されてきました。しかし、直線的な構造、星状体のような放射状構造を作る傾向にある微小管での収縮の機構は、そのサイズはアクチンの場合と大きく異なっています。ミリメートルに広がる実験槽の中をくまなく観察することで、微小管ネットワーク全体が収縮することを観察できたのです。この収縮性は、微小管の端をしっかりとつかんでいるタンパク質モータの濃度と力学特性に依存します。モータの特性を変えた場合には、均一で小さな星状体が実験槽全面に分散して形成されることを確認しました。これら観察は、タンパク質フィラメントの収縮性の一般原則を明らかにする上で、新たな知見を与えたものと考えられます。また、キネシン-5によるネットワーク全体の収縮は、紡錘体の挙動を理解する上でも重要です。なぜならば、このキネシンは、細胞分裂における紡錘体の形成や伸長に働くとされているからです。今回観察された収縮は、紡錘体形成や紡錘体伸長で生じている現象を再現している可能性があります。