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大学共同利用機関法人 自然科学研究機構

基礎生物学研究所

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生命熱動態研究室

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研究の概要

熱・温度の生物学的意義の解明を目指して

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左図:細胞の熱ショックストレス応答機構
右図:生体内単一細胞へのレーザー照射のイメージ


熱・温度は生命現象と密接な関係を持つ重要な要素である。当研究室では、熱ショック応答機構を中心にして、生物の温度適応戦略に迫る研究を行っている。生物にとっての熱・温度を理解するためには、生体内の熱動態についても理解する必要がある。そのために、イメージングベースでの温度計測と赤外レーザーによる局所加熱技術の開発を行い、生体物質の熱物性の解析を行っている。一方、これらの研究成果を基に、赤外レーザーを用いた局所遺伝子発現技術の改良と応用も行っている。

温度の生物学

多くの生物は、熱ストレスから細胞を守る熱ショック応答機構を持つ(上図)。温度と生物のつながりを明らかにするための一つの手段として、この機構のキー分子である熱ショック転写因子1(HSF1)に着目して研究を展開している。メダカやその近縁種、ヒラメ、カエル、さらにシロイヌナズナなど複数の動植物種を用いて、比較生物学的視点からHSF1活性化機構の解明に取り組んでいる。また、生物が温度(熱)に対して対応しているのかを、生体物質の熱物性を知ることを通じて考えている。そのために、生体や細胞を局所加熱しながら温度をイメージングできる顕微鏡技術の開発も行ってきた。温度応答特性の異なる2つの蛍光タンパク質を使って、それぞれの波長の蛍光強度の比から温度計測する技術を開発した(文献2)。さらに、局所加熱に伴う熱の伝わりを高速イメージングできる顕微鏡(下図)も構築した。これを用いて生体物質の熱物性解析に挑戦している。

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図1. 生体物質の熱物性解析のための顕微鏡システム
蛍光タンパク質ベースの温度プローブを用いて、赤外レーザーを照射しながら、標的細胞の温度計測が可能。約1000fpsでの高速温度イメージングを行うことができる。

局所遺伝子発現技術とその改良

熱ショック応答を利用して、熱ショックプロモーターの下流に目的遺伝子を挿入して生物に導入することで、熱ショックによる目的遺伝子の発現誘導が可能になる。そこで、顕微鏡により赤外レーザーを集光照射し生体内の単一細胞を温めることで、目的の細胞のみで目的遺伝子を発現誘導させる顕微鏡技術(Infrared laser evoked gene operator: IR-LEGO法: 文献5)を有している。この光で細胞を操作する技術を用いて、メダカ、ゼブラフィッシュ、アフリカツメガエル、シロイヌナズナなどのモデル生物に応用してきた(文献1, 3, 4)。現在も所外研究者との共同研究を多数実施し、様々な生物種の研究者と交流している。現行のIR-LEGO法にはいくつかの難しさがあり、それを克服するために、前述のHSF1研究を通じてIR-LEGOの改良も進めている。この他にも、自作可能でオープンソースなIR-LEGOシステムの開発を進め、IR-LEGOを含めた顕微鏡・イメージング・光操作技術の普及も進めている。

大学院生の募集

本研究室では、大学院生を募集しています。

研究室関連資料

参考文献

1. Hasugata, R., Hayashi, S., Kawasumi-Kita, A., Sakamoto, J., Kamei, Y., Yokoyama, H. (2019). Infrared laser-mediated gene induction at the single-cell level in the regenerating tail of Xenopus laevis tadpoles. Cold Spring Harb. Protoc., Dec 3; 2018(12).
 
2. Nakano, M., Arai, Y., Kotera, I., Okabe, K., Kamei, Y., Nagai, T. (2017). Genetically encoded ratiometric fluorescent thermometer with wide range and rapid response. PLoS One 12, e0172344.
 
3. Okuyama, T., Yokoi, S., Abe, H., Isoe, Y., Suehiro, Y., Imada, H., Tanaka, M., Kawasaki, T., Yuba, S., Taniguchi, Y., Kamei, Y., Okubo, K., Shimada, A., Naruse, K., Takeda, H., Oka, Y., Kubo, T. and Takeuchi, H. (2014). A neural mechanism underlying mating preferences for familiar individuals in medaka fish. Science 343, 91-94.
 
4. Shimada, A., Kawasishi, T., Kaneko, T., Yoshihara, H., Yano, T., Inohaya, K., Kinoshita, M., Kamei, Y., Tamura, K. and Takeda, H. (2013). Trunk exoskeleton in teleosts is mesodermal in origin. Nat. Commun. 4, 1639.
 
5. Kamei, Y., Suzuki, M., Watanabe, K., Fujimori, K., Kawasaki, T., Deguchi, T., Yoneda, Y., Todo, T., Takagi, S., Funatsu, T., and Yuba, S. (2009). Infrared laser-mediated gene induction in targeted single cells in vivo. Nat. Methods 6, 79-81.

連絡先

亀井 保博 特任准教授 E-mail: ykamei@nibb.ac.jp TEL: 0564-55-7630

写真

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