東京大学医科学研究所

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発表論文解説

生きた動物(線虫)を用いて細胞内情報伝達を可視化しその動態を解明

Science Signaling volume 5; issue 246; page ra76 (Oct 16, 2012)
冨田太一郎1、小田茂和2、武川睦寛3、飯野雄一2、斎藤春雄1
1.東京大学医科学研究所・分子細胞情報分野、2.東京大学理学系研究科生物化学専攻、3.東京大学医科学研究所・分子シグナル制御分野
The temporal pattern of stimulation determines the extent and duration of MAPK activation in a Caenorhabditis elegans sensory neuron

動物は環境変化を察知して、これにうまく適応する事により生存を維持します。外界の環境の情報は動物の体を構成する細胞の内部に伝えられて、そこで機能分子を活性化させることによって、環境変化に適応するための行動制御や生体機能調節が行われます。細胞内の情報伝達(シグナル伝達)が正常に働かないと、様々な疾病の原因になりますが、実際に生きた動物体内で起きているシグナル伝達を解析することは非常に難しく、その実態はほとんどわかっていません。

そこで、私たちはシグナル伝達における代表的な反応の一つ「MAPキナーゼ(MAPK)の活性化」を生きた個体内で可視化するため、MAPKが活性化されるにあたり特定のアミノ酸がリン酸化されることに着目し、そのリン酸化反応が起きるとFRET反応により蛍光色が変化するようなプローブを作成しました。これを用いると、生きた動物個体の特定の1細胞の中で生じているMAPK活性化反応を顕微鏡下で観察することができます。

本論文では、この技術を生きている線虫(体が透明で観察しやすい)のASERとよばれる感覚神経に適用し、環境刺激の変化に応じたMAPK活性化の動態を観察しました。予想通り、外界の環境(この場合は塩濃度)が突然変化すると、ASER中でMAPKが一過的に活性化されることがわかりました。しかし、自然界においては、線虫は常に不規則に変動する塩濃度環境で生育しています。このような変化に対して、どのようなMAPK応答をするかは、今までの知識では全く予測することができません。そこで私たちは、複雑な電気回路などの特性を解析するときに使われるシステム工学の手法を使って、このシグナル伝達経路の応答特性を調べました。具体的には、塩濃度の変化(0 Mと50 mM)を様々な振動数やデューティ比(刺激のかかっている時間の割合)で周期的に与え、MAPKの活性化を経時的に観察しました。その結果、効率よくMAPK活性化が起きるためには、環境変化からの刺激が多すぎても少なすぎてもだめで、適切な頻度で繰り返し刺激が来た場合に特に能率よく反応が進むということを見いだしました。変異株を用いた実験とコンピュータシミュレーションを組み合わせた解析の結果、細胞内カルシウムが情報のフィルターとして機能していて、刺激が頻繁すぎる時や少なすぎる時にはMAPK活性化を生じさせないようにしていることを突き止め、これを実験的にも確認することができました。  シグナル伝達機能はその異常が直接的に疾患の原因となり得ます。本研究は、医学的にも重要な「生きた生体内におけるシグナル伝達」の理解を進めるための重要な一歩を記すものだといえるでしょう。

[PubMed Abstract]