生産と技術

第60巻第２号（2008）

生細胞蛍光イメージングによる細胞核ダイナミクスの解析
平 岡

研究ノート

泰＊

Dynamics of nuclear structures and chromosomes
Key Words : the cell nucleus, fluorescence microscopy, live-cell imaging

１．はじめに定不変でなく、その働きに応じてダイナミックに変

ゲノム解析が進み、様々な生物でゲノム塩基配列動するものである。このような機能構造を実現するが解読されているが、遺伝子の発現は一次元の配列分子的基盤は何なのか。このような問から私たちの情報だけで制御されるわけではない。一つの個体を研究は出発した。

形成するすべての細胞は同一の DNA 塩基配列を持つにも関わらず、生体内の異なる細胞がそれぞれに２．生細胞蛍光イメージング技術の開発異なる機能を発現する。さらに、近年、分化した細細胞内での調和のとれた制御を理解するために、胞から万能細胞を作ることが可能になっているが、どのタンパク質がいつどこで働くかを、個々の細胞

これは少数の遺伝子を活性化するだけで細胞の運命で観察することが重要である。このような目的を実を変更できることを示している。このように細胞ご現するために、細胞内の見たい分子だけを選択的にとに特異的な遺伝子発現パターンを与えることによ

蛍光染色して、生きている細胞で画像化することをり、さまざまな細胞システムが構築され、複雑な生試みた。これは、ショウジョウバエ初期胚を用いて命現象を実現することができる。遺伝情報を担う実現し、細胞核分裂を生きたまま蛍光観察すること

DNA は段階的な構造形成を経て染色体にたたみ込に成功した[1]。さらに、この生細胞蛍光イメージ

まれ、染色体は細胞核に収納されている。DNA はング技術をヒト培養細胞に拡張し、ヒト細胞が分裂長大な分子であり、ヒトの細胞を例にとると、太さする時の染色体分離を生きたまま追跡することを可

２ナノメートルで全長が２メートルにも及ぶ長大な能にした（図１）[2]。これにより、抗ガン剤などの分子が、直径が約５マイクロメートルわずか 100 フ薬理作用を視覚化できるようになった。さらに、

ェムトリットルの細胞核に収納されていることにな

1990 年代半ばにオワンクラゲの蛍光タンパク質る。この空間の中で数万に及ぶ遺伝子の発現が正確かつ調節的に進行する。これは、DNA が細胞核内で秩序だった構造をとり、その構造が正確に制御されていることを想像させる。細胞核は遺伝子が働くための空間的な枠組みと言えるが、この枠組みは一＊Yasushi HIRAOKA

1957年1月生
京都大学大学院理学研究科生物物理学専
攻博士課程修了（1985年）
現在．大阪大学大学院 生命機能研究科
細胞ネットワーク講座 細胞核ダイナミ
クス研究室 教授 理学博士 細胞生物学、生物物理学
TEL：06-6879-4620
FAX：06-6879-4620
E-mail：hiraoka@fbs.osaka-u.ac.jp

図１ ヒト生細胞の蛍光イメージング
細胞分裂期の染色体分離の連続観察[2]。
染色体（赤）と微小管（緑）− 72 −

生産と技術第60巻第２号（2008）（GFP）が発見されたことによって、遺伝子レベルを成すためには、染色体が核内を移動し、相同なパでタンパク質の蛍光ラベル化ができるようになった。

ートナーを見つけなければならない。分裂酵母の核

現在では、生細胞蛍光イメージングは、広範な分子内染色体配置を解析したところ、体細胞分裂から減細胞生物学の研究に利用できる技術となっている。

数分裂に移行すると、セントロメアが束ねられた構造から染色体末端テロメアが束ねられた構造に劇的

３．ショウジョウバエ初期胚の細胞核構造の研究に変化することを発見した[4]。体細胞分裂期の間デコンボルーション法で分解能を上げることによ

期核では、セントロメアが SPB（動物の中心体にって、細胞核内での染色体の三次元配置を解析でき相当する微小管重合中心）の近くに集合している。

るようになった。この方法で、ショウジョウバエ初

一方、減数分裂に誘導すると、セントロメアは期胚の核内染色体配置を解析したところ、染色体のSPBから離れ、代わりにテロメアが SPB の近くにセントロメアとテロメアが細胞核内の決まった領域クラスターを形成する（図３）。その後、ヒトなどにあることがわかり、その配置に規則性が見いださ高等動植物でも同様のテロメアクラスターが発見された。この時期のショウジョウバエ初期胚では、多れ、生物種を越えて共通にテロメアが生殖に重要な数の細胞核が胚の表面近くに一層に整列し、細胞核役割を持つことがわかった。私たちは、分裂酵母の分裂が同調して進行する。このような表層に整列し生細胞観察により、この減数分裂期のテロメアクラた細胞核のすべてで、セントロメアは胚表層に近いスターが相同染色体の正常な対合過程に重要な役割側に局在し、テロメアは胚表層から遠い側に局在しを持つことを明らかにした[5]。また、ゲノムワイた（図２）[3]。ヒトの表皮組織など細胞の配置に方ドな検索から、テロメアクラスター形成に必要な新向性のある組織では、同様の配向した細胞核構造が規のタンパク質を同定し、Bqt1・Bqt2 と名付けた[6]。

見られるのではないかと予想している。

減数分裂の進行に伴って Bqt1・Bqt2 が発現し、テロメアとセントロメアの核内配置を逆転させる様子を図３にまとめた。これは、細胞質の微小管モーターを用いて、核膜越しに染色体を移動させるメカニカルな仕組みであり、生物に普遍的なものと考えられる[7]。

図２ ショウジョウバエ初期胚に見られる染色体の配向細胞核内で染色体が規則的に配向する。すべての核で、セントロメアは胚の表層側に、テロメアは内側に局在する[3]。

４．分裂酵母の減数分裂期の染色体配置の研究
染色体の規則的配置の分子的基盤をさぐるための実験系の一つとして、分子遺伝学が容易な分裂酵母を選び、減数分裂期の染色体の挙動を解析した。特に、減数分裂過程での相同染色体の対合は、その後に起こる染色体の分離を正常に行うために重要な過程である。はじめ離れていた一対の相同染色体が対− 73 −図３ 分裂酵母減数分裂期の染色体配置転換(A) 体細胞分裂期には、セントロメアがSPBにクラスターし、テロメアは核膜上に散在する。(B) 減数分裂に誘導すると、接合フェロモンの作用でBqt1/Bqt2タンパク質複合体が発現し、テロメアに局在する。(C) Bqt1 / Bqt2 がテロメアに局在すると、 核膜上の Sad1 タンパク質複合体を介してダイニンモーターがテロメアに局在し、微小管が形成される。
(D) 微小管とダイニンモーターの働きによってテロメアが核膜上をSPBに束ねられる。セントロメアはSPBから解離する[7]。

生産と技術第60巻第２号（2008）

参考文献

５．今後の展望細胞の正常な働きは多くのタンパク質の調和の取１）Hiraoka, Y., Minden, J. S., Swedlow, J. R. , Sedat,

れた連携作業によって営まれる。細胞機能の遺伝的J. W. and Agard, D. A. (1989) Nature 342: 293-

な制御の仕組みを、個々の遺伝子産物の記述にとど296.

まらず、細胞の物質的実体を意識し物理化学的な視２）Haraguchi, T., Kaneda, T. and Hiraoka, Y. (1997)
Genes Cells 2: 369-380.

点に立って、生きている細胞という時空間の中で理解することを目指したい。そのために、蛍光顕微鏡

３）Hiraoka, Y., Agard, D. A. and Sedat, J. W. (1990)

によるイメージングの手法と分子遺伝学の手法を併

J. Cell Biol. 111: 2815-2828.

用して、生命現象を顕微鏡でビジュアルに捉え、そ

４）Chikashige, Y., Ding, D. Q., Funabiki, H., Haraguの分子的な実体を遺伝的に解明する。生物材料とし

chi, T., Mashiko, S., Yanagida, M. and Hiraoka, Y.て、主に分裂酵母とヒト培養細胞を用い、分子遺伝(1994) Science 264: 270-273.

学的解析の容易な分裂酵母でゲノムワイドの解析を

５）Ding, D. Q., Yamamoto, A., Haraguchi, T. and Hiraoka, Y. (2004) Develop. Cell 6: 329-341.

進め、得られた知見をヒト細胞に拡張して検証する。
分裂酵母とヒトでよく保存されているものについて

６）Chikashige, Y., Tsutsumi, C.,Yamane, M., Okama

は、分裂酵母での機能的な解析が真核細胞に普遍的

sa, K., Haraguchi, T., and Hiraoka, Y. (2006) Cellなメカニズムの理解につながると考えている。また、

125: 59-69.

異なる部分については、ヒトと分裂酵母でその仕組

７）Chikashige Y, Haraguchi T, Hiraoka Y (2007)

みを比較することで、共通する部分と進化の過程で変化してきた部分を理解できると期待している。

− 74 −

Chromosoma 116: 497-505.