ナノバイオプロセス研究領域

再生医科学研究所　附属ナノ再生医工学研究センター

ナノバイオプロセス研究領域

私たちの研究室では、生きている細胞の中で、細胞膜上の受容体やシグナル分子を１個ずつ（１種の分子という意味ではなく、ホントに１個の分子！！）、直接に見たり、引っ張って動かしたりしています。それによって、（１）細胞のシグナル伝達系がシステムとしてどのような機構で働くのか、（２）神経回路網はどのようにして形成されるのか、の２つの「作動機構」の問題にアプローチしています。生物が進化によって獲得してきた、シグナル系や細胞の社会の働かせ方の「基本的／一般的な戦略」を理解するのが目標です。これをもとに、将来のナノテクノロジー、ナノ再生医工学へと展開することを目指しています。

教授楠見明弘
Akihiro　Kusumi
Professor

研究・教育について

細胞が、多細胞生物の中で他の細胞と共同して機能するためには、細胞膜での情報処理がうまく働くことが必要です。私たちは、細胞膜で起こるシグナル変換がシステムとしてどのように働くか（構築原理と作動機構、例えば、細胞内シグナルの空間的・時間的制御、シグナル分子が会合・離散する時間スケール、集合の協同性、それらを調節する機構）に興味を持ち、研究を進めています。その結果、このシステムの働きは、細胞膜という２次元液体中で、細胞がどのように膜タンパク質と脂質の運動と局在化（リクルート）を制御し、集合体／ドメイン構造を生成するか、に本質的に依拠していることがわかってきました。そこで、最近は、いくつかの代表的な情報処理システムを取り上げ、それらの機能に必要な「細胞膜シグナル分子の組織化機構」を検討しています。

　組織化というと静的な印象を与えますが、私たちが開発してきた生細胞内１分子イメジング法によって、分子複合体は、もう無闇に動的であることがわかってきました。シグナル複合体の多くは不安定で、ミリ秒から秒の寿命で生成分解（不活化）を起こすようなのです。つまり、「きわめて動的な分子組織化によるシステム動作」の一端が見えてきたのです。このような研究を通じて、さらにその基礎にある情報処理システムと膜分子の組織化の（生物が進化によって獲得してきた）「一般戦略」を理解したいと考えています。

　システムの働き方を調べるためには、システムを構成する分子の挙動を1分子毎に調べる手法が極めて有用です。そこで、我々は、「生きている細胞中の１分子」を、マイクロ秒レベルの時間分解能、ナノメートルの空間精度で追跡し、さらに、それらの「分子の活性化（反応）までをも１分子毎に見る」方法を開発してきました。これは、「ナノサイエンス／ナノテクノロジーとの融合領域」として、「１分子ナノバイオロジー」、「１分子細胞生物学」という新しい学問分野の創造につながりつつあります。

再生医科学研究所
附属ナノ再生医工学研究センター
ナノバイオプロセス研究領域

教　授	：	楠見明弘
特任助手	：	藤原敬宏鈴木健一
TEL	：	075-751-4112
FAX	：	075-751-4113
e-mail	：	akusumifrontier.kyoto-u.ac.jp
URL	：	http://www.nanobio.frontier.kyoto-u.ac.jp

	（左）１分子追跡法。蛍光分子や金コロイドを特異抗体Fabなどを介して、膜タンパク質や脂質に結合させ、運動を可視化する。（右）光ピンセットによって、金コロイドを捕捉し、細胞膜に沿って膜タンパク質を動かし、膜骨格やラフトの効果を調べる。
	細胞膜の内側表面にあるシグナル伝達分子 Ras が、活性化された瞬間を１分子観察した画像（活性化したときに、分子が発する蛍光が緑から赤く変わる）。この図では上が細胞質。細胞膜の画像はRasを１分子追跡した画像。軌跡は、この分子が制御がかかったブラウン運動をしていることを示す。Rasの活性化に伴って、多数の細胞内分子が、急速に、協同的に、シグナル複合体を作ることがわかった。さらに興味深いことに、この複合体は、１秒以内に分解される。つまり、細胞のシグナルはパルス的で、デジタル式のシグナリングをやっているようだ。このような発見は、普通の多数分子観察では不可能であり、１分子観察の独壇場である。
	細胞膜の構造とその働き方に関して、パラダイムシフトを要求する発見ができた。細胞膜は膜骨格（フェンス，左）とそれに結合している膜貫通型タンパク質（ピケット，右）によって30-200nmのコンパートメントに仕切られており、そのために、シグナル複合体が形成されると、そこでシグナルの閉じ込めが起こることが分かってきた。

研究業績

1.	N. Morone et al. Three-dimensional reconstruction of the membrane skeleton at the plasma membrane interface by electron tomography. J. Cell Biol. 174, 851-62 (2006).
2.	K. G. N. Suzuki et al. GPI-anchored receptor clusters transiently recruit Lyn and Gα for temporary cluster immobilization and Lyn activation: single-molecule tracking study 1. J. Cell Biol. 177, 717-730 (2007).
3.	K. G. N. Suzuki et al. Dynamic recruitment of phospholipase Cγ at transiently immobilized GPI-anchored receptor clusters induces IP3-Ca2+ signaling: single-molecule tracking study 2. J. Cell Biol. 177, 731-742 (2007).
4.	K. A. K. Tanaka et al. Membrane molecules mobile even after chemical fixation. Nature Methods 7, 865-866 (2010).
5.	R. S. Kasai et al. Full characterization of GPCR monomer-dimer dynamic equilibrium by single molecule imaging. J. Cell Biol. 192, 463-480 (2011).

再生医科学研究所　附属ナノ再生医工学研究センター

ナノバイオプロセス研究領域

教授楠見明弘
Akihiro　Kusumi
Professor

研究・教育について

再生医科学研究所
附属ナノ再生医工学研究センター
ナノバイオプロセス研究領域

教　授	：	楠見明弘
特任助手	：	藤原敬宏鈴木健一
TEL	：	075-751-4112
FAX	：	075-751-4113
e-mail	：	akusumifrontier.kyoto-u.ac.jp
URL	：	http://www.nanobio.frontier.kyoto-u.ac.jp

	（左）１分子追跡法。蛍光分子や金コロイドを特異抗体Fabなどを介して、膜タンパク質や脂質に結合させ、運動を可視化する。（右）光ピンセットによって、金コロイドを捕捉し、細胞膜に沿って膜タンパク質を動かし、膜骨格やラフトの効果を調べる。
	細胞膜の内側表面にあるシグナル伝達分子 Ras が、活性化された瞬間を１分子観察した画像（活性化したときに、分子が発する蛍光が緑から赤く変わる）。この図では上が細胞質。細胞膜の画像はRasを１分子追跡した画像。軌跡は、この分子が制御がかかったブラウン運動をしていることを示す。Rasの活性化に伴って、多数の細胞内分子が、急速に、協同的に、シグナル複合体を作ることがわかった。さらに興味深いことに、この複合体は、１秒以内に分解される。つまり、細胞のシグナルはパルス的で、デジタル式のシグナリングをやっているようだ。このような発見は、普通の多数分子観察では不可能であり、１分子観察の独壇場である。
	細胞膜の構造とその働き方に関して、パラダイムシフトを要求する発見ができた。細胞膜は膜骨格（フェンス，左）とそれに結合している膜貫通型タンパク質（ピケット，右）によって30-200nmのコンパートメントに仕切られており、そのために、シグナル複合体が形成されると、そこでシグナルの閉じ込めが起こることが分かってきた。

研究業績

1.	N. Morone et al. Three-dimensional reconstruction of the membrane skeleton at the plasma membrane interface by electron tomography. J. Cell Biol. 174, 851-62 (2006).
2.	K. G. N. Suzuki et al. GPI-anchored receptor clusters transiently recruit Lyn and Gα for temporary cluster immobilization and Lyn activation: single-molecule tracking study 1. J. Cell Biol. 177, 717-730 (2007).
3.	K. G. N. Suzuki et al. Dynamic recruitment of phospholipase Cγ at transiently immobilized GPI-anchored receptor clusters induces IP3-Ca2+ signaling: single-molecule tracking study 2. J. Cell Biol. 177, 731-742 (2007).
4.	K. A. K. Tanaka et al. Membrane molecules mobile even after chemical fixation. Nature Methods 7, 865-866 (2010).
5.	R. S. Kasai et al. Full characterization of GPCR monomer-dimer dynamic equilibrium by single molecule imaging. J. Cell Biol. 192, 463-480 (2011).