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岡崎共通研究施設(生理学研究所関連)


岡崎統合バイオサイエンスセンター

時系列生命現象研究領域(神経分化)

イオンチャネルをはじめとする膜機能分子は,興奮性細胞機能の基本的な分子であり,その機能は,膜電位変化,細胞外からの伝達物質の刺激,細胞内の物理的な変化,機械的な刺激などにより,微妙にコントロールされる。そのうち特にイオンチャネルは,従来から生理学的及び分子的実体が研究されており,構造と機能の関係の理解が進んでいる。しかし,実際の細胞においては,複数の膜分子の発現を統合し,細胞の種類,細胞が形成される時間的な過程,細胞の置かれている状況に応じて調節されている。膜分子の発現が,どのように生理機能に合った形で制御されているのか? 発生過程においてどのように発現が制御され,どのような機能を有するか? 別々の遺伝子でコードされている多様な種類の膜機能分子を,一つの機能に集約する制御はどういうものか? これらを明らかにするため,以下の研究を行っている。

(1)新規電位感受性膜タンパク機能の解析
神経や筋を始めとして細胞膜の膜電位変化は様々なイオンチャネル分子を介してイオンの出入りが生じることにより細胞内へ情報が伝達されることが知られてきた。しかし,本当に膜電位現象は,イオンチャネルを介するものだけなのであろうか?我々は,ホヤのゲノムから,電位依存性チャネルの電位センサーをもちながらイオンの通過部位(ポア領域)をもたず,かわりにC末側にホスファターゼドメインをもつ分子を同定した。VSPと命名されたこの分子は,イノシトールリン脂質を脱リン酸化する酵素活性を示し,生理学的な膜電位の範囲内で,酵素活性を変化させる。イオンの移動なしに細胞膜の膜電位変化を細胞内の化学的情報に転換する,膜電位の信号伝達の新しい経路である。更に電位センサーをもつ別の分子も同定した。この分子は電位センサードメインのみを有しポア領域をもたないが(VSOP=voltage sensor-only protein),驚くべきことに電位依存性プロトンチャネル活性をもつことが明らかになった。VSOPはマクロファージなど免疫系の細胞に多く発現し,膜電位を介する活性酸素の産生や細胞内環境の制御に関わっていると考えられる。これらの分子の存在は,膜電位シグナルが従来考えられてきたように活動電位などの形成に限定されるのではなく,様々な生物現象に関わる可能性を示唆している。現在,VSPでの1分子内の電位センサーの動作がどのように酵素活性の変化をもたらすのか,またVSPがどのような生物現象における膜電位変化に対応して機能しているのか,哺乳類に固有の生理機能の進化とどのような関係があるか,などを明らかにしようとしている。VSOPについては,どのように膜電位を感知しプロトンの輸送を制御するのか,生理機能での意義は何か?などを明らかにしようとしている。これらに加え,イカ巨大神経線維の高速度細胞内灌流法による精密な電気生理学的測定とタンパク質科学の視点に立った理論的な取り扱いからの電位センサーの構造機能連関の解明も行っている。

(2)中枢神経系ニューロンの個性の確立の理解
神経回路は,転写因子の発現と活動依存的な修飾機構により規定される個々のニューロンにより構成される。特定のニューロンは神経回路機能に見合った特性(イオンチャネルによる膜興奮性や伝達物質の種類)を獲得する。発生過程において個々のニューロンが生まれ神経機構が成立するメカニズムを,トランスジェニックゼブラフィッシュなどを用いて解析している。

(3)ロコモーションの生理進化学的研究
尾索動物ホヤ,オタマボヤ,魚類,哺乳類は,相互に保存された神経発生機構や神経回路構築を示しつつも,異なる細胞数とシステムの複雑性を有し,これによって異なる物理的環境への適応能力を実現している。ゲノムレベル,システムレベル,ニューロンレベルで複数の生物種の運動機能を,特に脊髄神経回路に着目して解析することにより,脊椎動物運動機能の生物史的変遷を明らかにしようとしている。


Fig.1

図1 新しい電位センサー膜タンパク分子Ci-VSP。電位依存性チャネルと同様な電位センサー部分と,細胞内側の構造としてホスファターゼドメインをもつ。電位依存的にホスファターゼ活性を変化させる特性を示す。

Fig.2

Fig.2

図2 電位依存性プロトンチャネルmVSOPの構造(上)とそのcDNAを哺乳類培養細胞に強制発現させたときに得られるプロトン電流。通常の電位依存性チャネルの電位センサードメインに対応する部分からのみからなりポア領域を持たないが,プロトンを通す。保持電位-60mVから脱分極パルスを与えている。膜貫通領域の特定のアミノ酸(201のアルギニン)をグルタミンに置換すると低い脱分極でも開くようになり,内向き電流が生じる。

Fig.2

図3 生きたままニューロンを蛍光タンパクの発現によって可視化したトランスジェニックゼブラフィッシュ。上図は通常の蛍光写真。下図は共焦点顕微鏡画像。


職  員

photo 教 授  岡 村 康 司 (生理学研究所兼務)  OKAMURA,Yasushi
東京大学医学部卒,同医学系研究科修了,医学博士。東京大学医学部助手,ニューヨーク州立大学ストーニーブルック校客員研究員,産業技術総合研究所主任研究員(東京大学総合文化研究科助教授併任)を経て平成13年5月から現職。
専攻:神経生理学,発生生物学。
photo 助教授  東 島 眞 一 (生理学研究所兼務)  HIGASHIJIMA, Shin-ichi
東京大学理学部生物化学科卒,同大学院博士課程修了,理学博士。基礎生物学研究所助手,科学技術振興事業団さきがけ研究専任研究員,ニューヨーク州立大学ストーニーブルック校客員研究員を経て平成15年11月から現職。
専攻:神経生理学,発生神経科学。
photo 助 手(兼務)  久木田 文 夫 (生理学研究所より出向)  KUKITA,Fumio
東京大学理学部物理学科卒,同大学院博士課程修了,理学博士。昭和52年12月から現職。
専攻:神経の生物物理学,神経生理学。
photo 助 手(兼務)  岩 崎 広 英 (生理学研究所より出向)  IWASAKI,Hirohide
東京工業大学生命理工学部卒,東京大学医学系研究科修了,医学博士,理化学研究所基礎科学特別研究員を経て平成14年4月から現職。
専攻:神経生物学。
photo 研究員  木 村 有希子  (生理学研究所より出向)  KIMURA, Yukiko
埼玉大学卒,東京大学理学系研究科修了,理学博士,平成16年4月から現職。
専攻:発生生物学。
photo 日本学術振興会特別研究員  西 野 敦 雄  NISHINO, Atsuo
東京大学理学部卒,京都大学大学院理学研究科中退,理学博士,東京大学大学院新領域創成科学研究科助手を経て,平成16年4月から現職。
専攻:無脊椎動物学。
photo 日本学術振興会特別研究員  村 田 喜 理  MURATA, Yoshimichi
明治薬科大学卒,東京医科歯科大学医学系研究科修了,医学博士,平成16年4月から現職。
専攻:神経生物学。
photo 研究員  黒 川 竜 紀  KUROKAWA, Tatsuki
九州工業大学卒,同大学院情報工学研究科修了,情報工学博士,平成17年7月から現職。
専攻:生化学。
photo 研究員  小 谷 素 子  KOTANI, Motoko
東京大学理学部卒,東京大学理学系研究科修了,理学博士,東京理科大学生命科学研究所助手を経て,平成18年4月から現職。
専攻:分子生物学。
photo 研究員  大河内 善 史 (生理学研究所より出向)  OKOCHI, Yoshifumi
北海道大学農学部卒,名古屋大学理学研究科修了,理学博士。平成17年12月から現職。
専攻:分子神経生物学。
photo 研究員  佐々木 真 理 (生理学研究所より出向)  SASAKI, Mari
大阪大学薬学部卒,大阪大学薬学研究科博士前期課程修了,総合研究大学院大学生命科学研究科博士後期課程修了,理学博士。平成18年4月から現職。
専攻:生理学,分子生物学。




戦略的方法論研究領域(ナノ形態生理)

新しい学問領域は,新しい方法論の発見・発明によりスタートすることが多い。例えば,現在医学の診断に幅広く使われている磁気共鳴イメージングは,もともと分光装置として誕生した磁気共鳴(NMR)から生まれ,近年は機能イメージングとして脳研究にまで利用されている。

このように,各学問分野の急速な発展の裏には新しい方法論の発見がある。その方法論が,新しい分野を生み出すきっかけを与え,それがまた新しい方法論を次々に生む。こうした革新的方法論を戦略的方法論と呼ぶ。

統合バイオサイエンスという新しい学際領域は,領域間の単なる和では確立し得ない困難さを持っている。そこで,領域全体を引っ張る新しい方法論のブレークスルーが必要となる。すなわち,従来の方法では見えなかった1分子レベルの3次元構造解析,分子レベルの機能の入出力解析,細胞系のその場の機能観測などを可能にする戦略的方法論が期待されている。

具体的には,以下の研究を行っている。

  1. 電子位相顕微鏡の開発と応用−「電磁波・物質波の位相と振幅の観測」を可能とする電子位相顕微鏡(位相差法,微分干渉法,複素観測法)を応用し,蛋白質や細胞骨格などのin vitro立体構造解析とin vivo構造生物学を行う。特に“生”状態生体系の高分解能観察を行うため光顕と電顕の有機的統合手法を開発している。
  2. 物質輸送研究I−水,イオン,基質の経細胞及び傍細胞輸送機構,開口分泌の分子機構とエネルギー供給の分子機構の研究を行う。
  3. 質量顕微鏡を開発,神経伝達物質受容体および内分泌受容体の細胞内輸送制御の観点から個体の老化制御の研究を行っている。
  4. 物質輸送研究II−エンドサイトーシスはゴルジ体への外向き輸送とリソソームへの内向き輸送間の選別装置として働き,細胞内膜系の分子の運命を決定する。このエンドサイトーシス経路をめぐる細胞内膜系の選別輸送の分子機構および細胞のシグナル伝達,極性形成などにおける役割を研究する。

Fig.1

図1.電子位相顕微鏡法の3種。
a. 焦点はずし(デフォーカス)を導入し,分解能を犠牲にしてコントラストを向上する通常法(明視野法)。
b. ゼルニケ(Zernike)位相版(π/2シフト)を対物レンズ後焦点面に挿入し,正焦点で高コントラストを回復するZernike位相差法。
c. 半円位相版(πシフト)を後焦点面に挿入し,微分干渉光学顕微鏡と同じような地形図的位相像を得るヒルベルト(Hilbert)微分法。


Fig.2

図2.2つの位相差電子顕微鏡装置。
a. 300kV分析型極低温電子顕微鏡(FEG,He-ステージおよびω-フィルター搭載)に位相板を挿入。
b. 120kV電顕をモデルチェンジし,対物レンズ後方にトランスファーダブレットを付加することで位相板の加熱や精密位置決めを容易にした位相法専用機。

Fig.2


図3.シアノバクテリアの300kV全細胞氷包埋像と100kVプラスチック包埋切片像。
a. Hilbert微分法で観察したシアノバクテリア300kV氷包埋像。無染色にもかかわらず細胞内構造が2.5nmの分解能で見える。
b. 通常法で同一サンプルを観察したときのシアノバクテリア300kV氷包埋像。コントラストが低いため内部構造を特定できない。
c. 固定,脱水,プラスチック包埋,電子染色して得たシアノバクテリアの100kV切片像。化学的処理は時間がかかり(〜数日),かつ細胞内構造を破壊する。従って切片像では10nm以下の微細構造を議論するのが困難である。

Fig.1

図4.細胞(PtK2)内のアクチン繊維の光顕と電顕の解像度比較。
a. ファロイジンで染色したストレスファイバーの蛍光光顕像。
b. ストレスファイバー内のアクチン繊維を解像する300kVヒルベルト微分像。


職  員

photo 教 授  永 山 國 昭 (生理学研究所兼務)  NAGAYAMA,Kuniaki
東京大学理学部卒,同大学院修了,理学博士。日本電子(株)生体計測学研究室長,科学技術振興事業団プロジェクト総括責任者,東京大学教養学部教授,生理学研究所教授を経て平成13年2月から現職。
専攻:生物物理学,電子線構造生物学,生理現象の熱統計力学。
photo 助教授  村 上 政 隆 (生理学研究所より出向)  MURAKAMI,Masataka
京都府立医科大学卒,医学博士。大阪医科大学助手,生理学研究所助教授を経て平成15年4月から現職。
専攻:分子生理学,外分泌腺分泌機構とエネルギー供給,傍細胞輸送。
photo 助教授  瀬 藤 光 利  SETOU, Mitsutoshi
東京大学医学部卒,医学博士。東京大学医学部助手,さきがけ21研究者を経て平成15年11月から現職。
専攻:解剖学,細胞生物学,細胞内輸送,受容体動態,老化。
photo 外国人研究職員  KUVICHKIN,Vasily  KUVICHKIN,Vasily
1976 ロストフ・ドン大学生物物理学部修士修了,1991 Ph.D.USSR科学アカデミー生物物理研究所,応用微生物学研究所研究責任者,Pushcino大学物理学科上級講師,ロシア科学アカデミー,理論実験生物研究所,細胞生物物理学研究所,主任研究員を経て平成18年4月から現職。
専攻:生物物理学。
photo 助 手  大 橋 正 人  OHASHI,Masato
京都大学理学部卒,同大学院修了,理学博士。ドイツ,ハイデルベルク大学研究員,生理学研究所助手を経て平成15年7月から現職。
専攻:細胞生物学。
photo 研究員  ダネフ ラドスチン  DANEV,Radostin
ソフィア大学(ブルガリア)物理学部卒,同大学修士課程修了,総合研究大学院大学生命科学研究科修了,理学博士。生理学研究所非常勤研究員を経て平成16年4月より現職。
専攻:電子線構造生物学。
photo 専門研究職員  早 坂 孝 宏  HAYASAKA, Takahiro
芝浦工業大学システム工学部卒,同大学修士課程機械工学専攻修了,同大学博士課程機能制御システム専攻修了,工学博士。JST,三菱化学生命科学研究所を経て平成16年8月より現職。
専攻:生化学。
photo 専門研究職員  重 松 秀 樹  SHIGEMATSU, Hideki
東京工業大学生命理工学部卒,東京工業大学大学院生命理工学研究科修了,博士(工学)。工業技術院,キリンビール(株),科学技術振興機構,東京工業大学を経て平成17年1月より現職。
専攻:生物工学,タンパク質工学。
photo 研究員  安 田 浩 史  YASUTA, Hirofumi
茨城大学理学部卒,同大学院理工学研究科修了,理学博士。高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所理論部協力研究員を経て平成17年2月より現職。
専攻:理論物理学,場の量子論。
photo 研究員  新 田 浩 二  NITTA, Koji
埼玉大学理学部卒,同大学院理工学研究科修了,学術博士。平成17年4月より現職。
専攻:植物細胞生物学。




生命環境研究領域(細胞生理)

分子細胞生物学的,生化学的,発生工学的,電気生理学的手法を用いてTRPチャネルを中心として温度受容・痛み刺激受容の分子機構の解明を行っている。また哺乳動物細胞での細胞接着と細胞運動に関わる情報伝達経路,イオンチャネルの解析を行っている。

  1. 温度受容の分子機構の解明に関する研究:既知の温度受容体の異所性発現系を用いた解析,変異体等を用いた構造機能解析,感覚神経細胞等を用いた電気生理学的な機能解析,組織での発現解析,遺伝子欠損マウスを用いた行動解析を通して温度受容機構の全容解明を目指している。新規温度受容体の探索も進めている。

  2. 痛み刺激受容の分子機構の解明に関する研究:主に感覚神経細胞,異所性発現系を用いて感覚神経終末における侵害刺激受容の分子機構を明らかにする。この研究には,遺伝子欠損マウスの行動薬理学的解析も行う。

  3. 細胞接着と細胞運動に関わる情報伝達機構の解明に関する研究:哺乳動物細胞でのRhoファミリー蛋白質の下流の細胞接着・運動に関わる情報伝達経路の解析を分子細胞生物学的,生化学的手法を用いて進めている。我々が見いだした新規情報伝達物質DIP/WISHの遺伝子改変動物の解析を上皮細胞,血球細胞,神経細胞で行っている。

Fig.2


[哺乳類の温度感受性TRPチャネルの活性化温度閾値(右)と温度活性化電流記録]
カプサイシン受容体TRPV1は約43度以上,TRPV2は約52度以上,TRPV4は約36度以上,メントール受容体TRPM8は約28度以下で活性化される。

Fig.2


[細胞運動におけるDIP/WISHの役割]
上段は,EGF刺激による線維芽細胞の経時的変化を示す。正常細胞(☆)はダイナミックに運動しているが,DIP/WISH (mDia and N-WASP Interacting Protein)のdominant negative体を発現させた細胞(矢頭)は全く動かない。矢印はfrontのmembrane rafflingを示す。下段は,細胞運動時におけるDIPの役割を模式化したものである。



職  員

photo 教 授  富 永 真 琴  TOMINAGA, Makoto
愛媛大学医学部卒,京都大学大学院医学研究科博士課程修了,博士(医学)。生理学研究所助手,カリフォルニア大学サンフランシスコ校博士研究員,筑波大学講師,三重大学教授を経て平成16年5月から現職。
専攻:分子細胞生理学。
photo 助教授  富 永 知 子  TOMINAGA, Tomoko
愛媛大学医学部卒。三井記念病院内科研修医,京都大学医学部内分泌内科・医員,研究生を経て,学位取得(医学博士,京都大学)。生理学研究所助手,カリフォルニア大学サンフランシスコ校博士研究員,獨協医科大学助教授,三重大学講師を経て平成16年6月から現職。
専攻:分子細胞生物学,生化学。
photo 助 手  柴 崎 貢 志  SHIBASAKI, Koji
宇都宮大学農学部卒,九州大学大学院農学研究科修了,総合研究大学院大学生命科学研究科修了,博士(理学),米国ロチェスター大学博士研究員を経て,平成16年9月より現職
専攻:分子神経生物学。
photo 特任助手  稲 田  仁  INADA, Hitoshi
九州大学理学部卒,九州大学大学院理学研究科修了,博士(理学)。九州大学博士研究員,名古屋大学博士研究員,岡崎統合バイオサイエンスセンター非常勤研究員を経て平成18年4月から現職。
専攻:分子神経生物学,行動遺伝学。
photo 研究員  曽我部 隆 彰  SOKABE,Takaaki
姫路工業大学(現兵庫県立大学)理学部卒,東京大学大学院医学系研究科博士課程修了,博士(医学)。東京大学学術研究支援員を経て平成17年4月から現職。
専攻:分子細胞生物学。
photo 研究員  冨 樫 和 也  TOGASHI, Kazuya
東京理科大学理学部卒,総合研究大学院大学生命科学研究科修了,博士(理学)。平成18年4月から現職。
専攻:分子細胞生理学。




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