生命理工学系 News

徳永・十川研究室 ―研究室紹介 #15―

細胞を “観る・計る・知る”

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2016.11.24

生命理工学系にはライフサイエンスとテクノロジーに関連した様々な研究室があり、基礎科学と工学分野の研究のみならず、医学や薬学、農学等、幅広い分野で最先端の研究が活発に展開されています。

研究室紹介シリーズでは、ひとつの研究室にスポットを当てて研究テーマや研究成果を紹介。今回は、最先鋭顕微鏡を使い、細胞の新しいダイナミックな姿を直接明らかにして、生命の働きを理解していく、徳永・十川研究室です。

教授 徳永万喜洋 准教授 十川久美子

生命理工学コース
教授 徳永万喜洋別窓  准教授 十川久美子別窓

キーワード 1分子イメージング計測、超解像顕微鏡、細胞動態と機能、クロマチン・核構造ダイナミクス
Webサイト 徳永・十川研究室別窓

研究紹介

細胞を“観る・計る・知る”

細胞を“観る・計る・明らかにする”

見えないものの可視化によるイノベーション

教授 徳永万喜洋:分子を超解像と動きで観て働きを明らかにする

光学顕微鏡の分野に大きな革新が起こり、生命科学で新しい研究を可能にしています。

近年、超解像イメージング法が開発され、超解像観察による新しい研究が世界的な潮流となっています。これは、光学限界(光の波長の約半分)を超えた分解能で分子を可視化する方法です。私たちの研究室では、PALM(Photoactivated Localization Microscopy)法を、高速で鮮明に観察できる顕微鏡法を開拓して用いています。細胞中の分子を、30 nm程度までの解像度で観察することができます。

微小管結合タンパク質 (左)超解像画像 (右)従来顕微鏡画像

微小管結合タンパク質 (左)超解像画像 (右)従来顕微鏡画像

また、生きた細胞の働きを1分子で観ます。オンリーワンの最先鋭顕微鏡を使い、従来の方法では「見えなかったものを観る」1分子イメージング領域の開拓により可能となりました。 刺激による細胞内シグナル活性化や、遺伝情報発現の、その場その瞬間を捉えます。

細胞中の分子情報を、数値として計ります。 分子イメージングと分子ナノ操作により、個々の分子動態と相互作用を定量します。 生きた細胞中で、分子数、相互作用の時間と強さ、時空間変化といった量を、時間・空間・多種分子(多色)の5次元情報として定量化できます。

こうして得られた定量情報とイメージング情報は、計算機で細胞をモデル化し、分子の動態と相互作用をシミュレーションする研究に結びついてゆきます。これは、生命機能を分子システムとして統合的に理解する新しい研究として発展しようとしています。

私たちは、細胞の核内の分子や構造体、中でもクロマチン(DNAとタンパク質の複合体)に、大きな焦点を当てて研究を進めています。この研究を通して、私たちの体を構成する数10兆個の細胞は、同じ遺伝子の配列(情報)からできているのに、何故違う細胞ができるのか?という、生命科学の大きな問題を解くことができると考えています。

准教授 十川久美子:生細胞蛍光1分子イメージングによりシグナル伝達過程の解明を目指しています。

細胞膜上の受容体分子でとらえられた刺激は、シグナル伝達分子を介して、細胞核内へと伝えられ、目的タンパク質遺伝子の転写活性化・不活性化を引き起こします。 一連の過程に関与する分子は、時間的、空間的に制御され相互作用していると分かってきました。 生きた細胞の中で、分子1個1個の動きを直接観て、時空間制御を明らかにしたい。これが私達の研究の始まりです。

1分子イメージング、1分子解析の手法は、分子集団としての平均値でなく、個々の分子が機能する様子を生きた細胞内で可視化、定量解析を可能にします。 どんな分子が、何時、どこで、どのように機能しているかを明らかにします。

私たちの研究室では、細胞膜から核内に至るシグナル伝達の過程を蛍光1分子イメージングと定量解析により解明していくことを目的としています。 このために薄層斜光照明法(HILO)を始め新しい技術開発を行ってきました。 顕微鏡技術、解析技術のほかにも、マルチカラーの1分子イメージングを目指して、1分子レベルという極めて低発現量で2色同時発現する細胞腫の構築も進めています。 これらの技術を駆使して、細胞内の複数種シグナル分子の相互作用を可視化、定量化により明らかにしていきます。

研究成果

教授 徳永万喜洋

代表論文

  • [1] Ito Y, Sakata-Sogawa K, Tokunaga M.: A Facile Preparation of Glass-supported Lipid Bilayers for Analyzing Molecular Dynamics.: Anal Sci, 30 (12), 1103-1106, 2014. PMID: 25492457 selected as Hot Article Award
  • [2] Stasevich TJ, Hayashi-Takanaka Y, Sato Y, Maehara K, Ohkawa Y, Sakata-Sogawa K, Tokunaga M, Nagase T, Nozaki N, McNally JG, Kimura H:: Regulation of RNA polymerase II activation by histone acetylation in single living cells. Nature 516 (7530), 272-275, 2014. PMID: 25355676
  • [3] Yokosuka T., Kobayashi W., Takamatsu M., Sakata-Sogawa K., Zeng H., Hashimoto-Tane A., Yagita H., Tokunaga M., Saito T.: Spatiotemporal basis of ctla-4 costimulatory molecule-mediated negative regulation of T cell activation. Immunity 33, (3) 326-339, 2010. PMID: 20870175
  • [4] Shiina N, Yamaguchi K, Tokunaga M.: RNG105 Deficiency Impairs the Dendritic Localization of mRNAs for Na+/K+ ATPase Subunit Isoforms and Leads to the Degeneration of Neuronal Networks. J. Neuroscience, 30 (38), 12816-12830, 2010. PMID: 20861386
  • [5] Fukagawa A., Hiroshima M., Sakane I., Tokunaga M.: Stochastic emergence of multiple intermediates detected by single-molecule quasi-static mechanical unfolding of protein., BIOPHISICS 5, 25-35, 2009. PMID: 19139567
  • [6] Yokosuka T., Kobayashi W., Sakata-Sogawa K., Takamatsu M., Hashimoto-Tane A., Dustin ML., Tokunaga M., Saito T.: Spatiotemporal regulation of T cell costimulation by TCR-CD28 microclusters and protein kinase C theta translocation. Immunity, 29(4), 589-601, 2008. PMID:18848472
  • [7] Tokunaga M., Imamoto N., Sakata-Sogawa K.: Highly inclined thin illumination enables clear single-molecule imaging in cells. Nat Methods, 5(2), 159-161, 2008. PMID:18176568
  • [8] Yamasaki S., Sakata-Sogawa K., Hasegawa A., Suzuki T., Kabu K., Sato E., Kurosaki T., Yamashita S., Tokunaga M., Nishida K., Hirano T.: Zinc is a novel intracellular second messenger. J. Cell. Biol., 177(4), 637-645, 2007. PMID:17502426
  • [9] Yamasaki S., Ishikawa E., Sakuma M., Ogata K., Sakata-Sogawa K., Hiroshima M., Wiest DL., Tokunaga M., Saito T.: Mechanistic basis of pre-T cell receptor-mediated autonomous signaling critical for thymocyte development. Nat. Immunol., 7(1), 67-75, 2006. PMID:16327787
  • [10] Shiina N., Shinkura K., Tokunaga M.: A novel RNA-binding protein in neuronal RNA granules: Regulatory machinery for local translation. J.Neuroscience, 25 (17), 4420-4434, 2005. PMID: 15858068
  • [11] Yanagida T., Esaki S., Iwane A.H., Inoue Y., Ishijima A., Kitamura K., Tanaka H., Tokunaga M.: Single-motor mechanics and models of the myosin motor. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol Sci, 355, 441-447, 2000. PMID: 10836497
  • [12] Kitamura K., Tokunaga M., Iwane A. H. & Yanagida T.: A single myosin head moves along an actin filament with regular steps of 5.3 nanometres. Nature, 397, 129-134, 1999. PMID: 9923673

准教授 十川久美子

代表論文

  • [1] Ito Y., *Sakata-Sogawa K., *Tokunaga M.: A facile preparation of glass-supported lipid bilayers for analyzing molecular dynamics. Analytical Sciences 30 (12), 1103-1106, 2014. PMID: 25492457
  • [2] Stasevich TJ, Hayashi-Takanaka Y, Sato Y, Maehara K, Ohkawa Y, Sakata-Sogawa K, Tokunaga M, Nagase T, Nozaki N, McNally JG, and *Kimura H.: Regulation of RNA polymerase II activation by histone acetylation in single living cells. Nature 516, 272-275, 2014. PMID: 25355676
  • [3] Hashimoto-Tane A. ,Yokosuka T., Sakata-Sogawa K., Sakuma M., Ishihara C., Tokunaga M., *Saito T.: Dynein-driven transport of T cell receptor microclusters regulates immune synapse formation and T cell activation. Immunity, 34, 919-931, 2011. PMID: 21703543
  • [4] Yokosuka T., Kobayashi W., Takamatsu M., Sakata-Sogawa K., Zeng H., Hashimoto-Tane A., Yagita H., Tokunaga M., *Saito T.: Spatiotemporal basis of ctla-4 costimulatory molecule-mediated negative regulation of T cell activation. Immunity 33, (3) 326-339, 2010. PMID: 20870175
  • [5]Yokosuka T., Kobayashi W., Sakata-Sogawa K., Takamatsu M., Hashimoto-Tane A., Dustin ML., Tokunaga M., and *Saito T.: Spatiotemporal Regulation of T Cell Costimulation by TCR-CD28 Microclusters and Protein Kinase CθTranslocation. Immunity 29, 589-601, 2008. PMID: 18848472
  • [6] *Tokunaga, M., Imamoto, N., Sakata-Sogawa, K.: Highly inclined thin illumination enables clear single-molecule imaging in cells. Nature Methods. 5, (2) 159-161, 2008. PMID: 18176568
  • [7] Yamasaki, S., Sakata-Sogawa, K., Hasegawa, A., Suzuki, T., Kabu, K., Sato, E., Kurosaki, T., Yamashita, S., Tokunaga, M., Nishida, K., *Hirano, T.: Zinc is a novel second messenger. J. Cell Biol. 177, 637-645, 2007. PMID: 17502426
  • [8] Yamasaki S., Ishikawa, E., Sakuma, M., Ogata, K., Sakata-Sogawa K., Hiroshima, M., Wiest, D. L., Tokunaga M., *Saito, T.: Mechanistic basis of pre-T cell receptor-mediated autonomous signaling critical for thymocyte development. Nature Immunol. 7, 67-75, 2006. PMID: 16327787
  • [9] Yokosuka T., Sakata-Sogawa K., Kobayashi, W., Hiroshima, M., Hashimoto-Tane, A., Tokunaga M., Dustin, M. L., *Saito, T.: Newly generated T cell receptor microclusters initiate and sustain T cell activation by recruitment of Zap70 and SLP-76. Nature Immunol. 6, 1253-1262, 2005. PMID: 16273097
  • [10] Sakata-Sogawa, K., *Shimamoto, N.: RNA polymerase can track a DNA groove during promoter search. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101(41), 14731-14735, 2004. PMID: 15469913
  • [11] *Sakata-Sogawa K, Kurachi M, Sogawa K, Fujii-Kuriyama Y, Tashiro H.: Direct measurement of DNA molecular length in solution using optical tweezers: detection of looping due to binding protein interactions. Eur Biophys J. 27(1):55-61, 1998. PMID: 9463890

教員紹介

徳永万喜洋 教授 理学博士

1987年 東京大学 大学院理学系研究科 博士課程修了
東京大学 教養学部物理学教室 助手、理学部物理学教室 助手を経る
1992年 新技術事業団(現・科学技術振興事業団) 柳田生体運動子プロジェクト・グループリーダー
1997年 国立遺伝学研究所 構造遺伝学研究センター 助教授
2000年 国立遺伝学研究所 構造遺伝学研究センター 教授
2002年 理化学研究所免疫・アレルギー科学総合研究センター・チームリーダーを兼務
2004年 理化学研究所 横浜研究所 免疫・アレルギー科学総合研究センター 免疫1分子イメージング研究ユニット ユニットリーダー
2008年より 現職

十川久美子 准教授 博士(情報科学)

大阪大学 大学院理学研究科生物化学専攻修士課程修了
博士(情報科学) 東北大学情報科学研究科にて論文博士
名古屋市立大学研究員、専業主婦(14年間)
理化学研究所フォトダイナミクス研究センターテクニカルスタッフ
国立遺伝学研究所構造遺伝学研究センター研究員、同助手
理化学研究所免疫・アレルギー科学総合研究センター研究員
同1分子イメージング研究ユニット ユニットリーダーを経て、 2010年8月から東京工業大学准教授 理研ユニットリーダーを兼務

お問い合わせ先

教授 徳永万喜洋
すずかけ台キャンパス B1棟 511号室
E-mail : mtoku@bio.titech.ac.jp

准教授 十川久美子
すずかけ台キャンパス B1棟 510号室
E-mail : ksogawa@bio.titech.ac.jp

※この内容は掲載日時点の情報です。最新の研究内容については研究室サイト別窓をご覧ください。

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