1074/jbc. RA120. 015263 プレスリリース 細胞の運動を「10秒見るだけ」で細胞質ATP濃度がわかる —繊毛運動を利用した細胞質ATP濃度推定法の開発— ボルボックスの鞭毛が機能分化していることを発見|東工大ニュース 藻類の「眼」が正しく光を察知する機能を解明|東工大ニュース 鞭毛モーターの規則的配列機構を解明 -鞭毛を動かす"エンジン"が正しい間隔で並ぶ仕組み発見-|東工大ニュース 久堀・若林研究室 研究者詳細情報(STAR Search) - 若林憲一 Ken-ichi Wakabayashi 研究者詳細情報(STAR Search) - 久堀徹 Toru Hisabori 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所 生命理工学院 生命理工学系 研究成果一覧
クラミドモナスと繊毛の9+2構造 (左)クラミドモナス細胞の明視野顕微鏡像。1つの細胞に2本の繊毛が生えている。これを平泳ぎのように動かして、繊毛側を前にして泳ぐ。(右)繊毛を界面活性剤で除膜し、露出した内部構造「軸糸」の横断面を透過型電子顕微鏡で観察したもの。特徴的な9+2構造をもつ。9組の二連微小管上に結合したダイニンが、隣接した二連微小管に対してATPの加水分解エネルギーを使って滑ることで二連微小管間にたわみが生じる。 繊毛運動の研究には伝統的に「除膜細胞モデル」が使われる( 東工大ニュース「ゾンビ・ボルボックス」 参照)。まず、界面活性剤処理によって繊毛をもつ細胞の細胞膜を溶解する(この状態の除膜された細胞を細胞モデルと呼ぶ)。当然、細胞は死んでしまうが、図2(右)のように9+2構造は維持される。ここにATPを加えると、繊毛は再び運動を開始する。細胞自体は死んでいるのに、繊毛運動の再活性化によって泳ぐので、いわば「ゾンビ・クラミドモナス」である。 動画1. 細胞モデルのATP添加による運動(0. 5 mM ATP) 動画2. クレアチンシャトル - 健康用語WEB事典. 細胞モデルのATP添加による運動(2. 0 mM ATP) このとき、横軸にATP濃度、縦軸に繊毛打頻度(1秒間に繊毛打が生じる回数)をプロットする。細胞集団の平均繊毛打頻度は既報の方法(Kamiya, R. 2000 Methods 22(4) 383-387)によって、10秒程度で計測できる。顕微鏡下でクラミドモナスが遊泳する際、1回繊毛を打つ度に細胞が前後に動く(図3)。このときの光のちらつきを光センサーで検出し、パソコンで高速フーリエ変換をしたピーク値が平均繊毛打頻度を示す。 この方法で、さまざまなATP濃度下における細胞モデルの平均繊毛打頻度を計測してグラフにすると、ほぼミカエリス・メンテン式に従うことが以前から知られていた(図4)。ところが、繊毛研究のモデル生物である単細胞緑藻クラミドモナス(図2左)を用いてこの細胞モデル実験を行うと、高いATP濃度の領域では、繊毛打頻度がミカエリス・メンテン式で予想される値よりも小さくなってしまう(図4)。生きているクラミドモナス細胞はもっと高い頻度(~60 Hz)で繊毛を打つので、この実験系に何らかの問題があることが指摘されていた。 図3. Kamiya(2000)の方法によるクラミドモナス繊毛打頻度の測定 (左上)クラミドモナスは2本の繊毛を平泳ぎのように動かして泳ぐ。このとき、繊毛を前から後ろに動かす「有効打」によって大きく前進し、その繊毛を前に戻す「回復打」によって少しだけ後退する。顕微鏡の視野には微視的に明暗のムラがあるため、ある細胞は明るいほうから暗いほうへ、別の細胞は暗い方から明るいほうへ動くことになる。(左下)その様子を光センサーで検出すると、光強度は繊毛打頻度を周波数として振動しながら変動する。この様子をパソコンで高速フーリエ変換する。(右)細胞モデルをさまざまなATP濃度下で動かし、その様子を光センサーを通して観察し、高速フーリエ変換したもの。スペクトルのピークが、10秒間に光センサーの視野を通り過ぎた数十個の細胞の平均繊毛打頻度を示す。 図4.
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