広島大ら,光受容細胞の核構造再編成の原動力を解明

広島大学と名古屋大学の研究グループは,夜行性の哺乳類の桿体細胞(視細胞の一種)が持つクロマチンの空間構造形成に細胞核の動的変形が重要に関わることを解明した(ニュースリリース)。

細胞周期のうち細胞が分裂をしていない間期においてゲノムDNAは3次元的に折りたたまれ,細胞種特異的な核構造を形成し,転写を含む種々の核内イベントに深く関与していることが知られている。真核生物におけるほとんどの細胞種では,ヘテロクロマチン領域(細胞核内DNAのうち特に凝集度の高い領域)が核膜周辺に局在し,これを標準型核構造と呼ぶ。

マウスを含む夜行性哺乳類の光受容細胞の一種である桿体細胞では,ヘテロクロマチンが核中央に局在した逆転型核構造を示す。桿体前駆細胞は標準型核構造を示し,最終分化過程で大々的な核構造の再編成が引き起こされる。

ヘテロクロマチンを核膜につなぎ止めているLBR(LaminB受容体)とLaminA/Cたんぱく質が分化過程で失われることが再編成に必須であることはすでに報告されているが,ヘテロクロマチンの集合および核構造の再編成が引き起こされるかは不明だった。

今回の研究では,CRISPR-Cas9システム(特定のゲノムDNA領域を切断することができる分子生物学的ツール)を利用してlbr/lama二重欠損細胞株を樹立し,核構造の再編成過程を生細胞観察した。

その結果,再編成過程で細胞核が大きく変形し,それに伴ってヘテロクロマチンが移動し,融合する過程が捉えられた。さらに,Phase-field法を用いた新たな数理モデリング手法で細胞核の動的変形が核構造再編成の原動力になっていることを捉えた。

動的変形を減少させた数理実験とin vitro実験を用いて定量的に細胞核の動的変形が核構造の再編成に直接関わっていることを明らかにした。また,ex vivo実験を用いて実際のマウスの桿体細胞の核でも動的な細胞核の変形が見られることを確認した。

今回の研究は,細胞核内のDNA構造をマクロ的に捉える全く新しい数理的手法と実験の新規の融合アプローチによって,細胞核の動的変形が核構造の再編成を引き起こすことを世界で初めて発見したもの。細胞核の変形は動的な細胞システムにおいては普遍的な現象で,種々の分化過程における核構造の再編成において重要な役割を果たしていると考えられるという。

研究グループは今後,細胞核が動的に変形する仕組みを明らかにすることで,細胞の物理的性質や,細胞核内DNAの空間構造制御機構の解明が期待できるとしている。

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