植物の細胞分裂の動画解析で新発見

熊本大学の研究グループは、顕微鏡の動画解析によって、植物の細胞分裂時に出現し、細胞の仕切りを作り出す役割を持つ隔膜形成体の誕生直後の形を、細胞骨格であるアクチン繊維が制御していることを発見しました。この研究は、植物細胞の分裂を動画で撮影し、隔膜形成体の振る舞いを詳しく解析しているときに、30秒ほどのごく短時間のみで観られる変化に気付いたことが発端でした。植物の細胞分裂のメカニズムについては従来も盛んに研究が行われていましたが、本研究グループによる精密な動画解析によって、これまでは見逃されていたアクチン繊維の役割をはじめて見出すことができました。

植物細胞の場合、細胞板と呼ばれる「仕切り」が有糸分裂によって分けられた２つの染色体の間に出現し、これが拡大することで細胞が２つに分けられます。この「仕切り」は細胞分裂のときだけ出現する隔膜形成体と呼ばれる構造体によって誕生し、拡大成長します。隔膜形成体には細胞骨格である微小管とアクチン繊維が含まれることが知られています。薬剤で微小管を破壊すると、「仕切り」が全くできなくなることなどから、微小管は隔膜形成体の主要な役割を担うことがわかっていました。一方、アクチン繊維を薬剤で破壊しても、隔膜形成体や「仕切り」に目立った変化が起きないことから、これまでその役割はよくわかっていませんでした。

熊本大学国際先端科学技術研究機構の研究グループは、植物の細胞質分裂におけるアクチン繊維の役割を明らかにすることを目指して、アクチン繊維を破壊した場合に隔膜形成体と「仕切り」に生じる変化を動画解析の技術を用いて詳細に再検証しました。その結果、誕生直後の隔膜形成体は細胞の中心部ですぼんだ形をしているのに対し、アクチン繊維を破壊した場合には異常に拡がった形になることに気付きました。面白いことに、この変化は隔膜形成体の誕生直後30秒間ほどの短い時間だけ観察され、その後はアクチン繊維を破壊した影響ははっきりしなくなりました。また、隔膜形成体の形に変化が生じたときだけ「仕切り」の形にも変化が生じることもわかりました。これらの研究成果から、アクチン繊維は誕生直後の隔膜形成体の形の制御を介して、細胞の「仕切り」の形成に関わっていることが明らかになりました。

さらに研究グループは、隔膜形成体によって「仕切り」に運ばれて、その拡大成長を担うと考えられている複数のタンパク質の挙動を調べました。その結果、アクチン繊維を壊すと「仕切り」へ運ばれるタイミングが早まるタンパク質が存在することを突き止めました。一連の研究結果から、植物細胞を２つに仕切る隔膜形成体には、言うなれば「幼年期」と「青年期」の２段階があり、「幼年期」の形づくりにはアクチン繊維が必要である一方で、「青年期」になるとこれが必要なくなることがわかりました。見かけ上、アクチン繊維がなくても細胞は最終的に正常に細胞分裂に至りますが、「青年期」以降の細胞に本当に影響がないかどうかは今後の課題です。

研究を主導した檜垣准教授は次のようにコメントしています。

「今回の発見によって、植物の細胞質分裂におけるアクチン繊維の役割の一端が明らかになりました。隔膜形成体にアクチン繊維が含まれることが判明したのはおよそ35年前のことです。その間、数多くの研究がなされてきましたが、今回の現象については全く報告がありませんでした。これは、従来の観察方法では気づくことが非常に困難だった短時間の微妙な違いを、最新の動画解析技術によって捉えることができたためだと考えられます。私たちは、画像解析技術を生物学に活用する「画像生物学」を標榜しており、今後も同様の研究アプローチで新しい現象を次々と見出したいと考えています。」

本研究成果は、科学ジャーナル「Plant and Cell Physiology」に2020年2月7日に掲載されました。

[Source] Maeda, K., Sasabe, M., Hanamata, S., Machida, Y., Hasezawa, S., & Higaki, T. (2020). Actin Filament Disruption Alters Phragmoplast Microtubule Dynamics during the Initial Phase of Plant Cytokinesis. Plant and Cell Physiology. doi:10.1093/pcp/pcaa003

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