IWASAKI, Hideo

Research Classification：

2018/-0-2020/-0

Allocation Class：￥6240000

Research Classification：

2015/-0-2018/-0

Allocation Class：￥16250000

Research Classification：

2014/-0-2016/-0

Allocation Class：￥3510000

Research Classification：

2013/-0-2015/-0

Allocation Class：￥4160000

Research Classification：

2012/-0-2014/-0

Allocation Class：￥3640000

Research Classification：

2011/-0-2013/-0

Allocation Class：￥3900000

Research Classification：

2011/-0-2013/-0

Allocation Class：￥28340000

Research Classification：

2010-2013

Allocation Class：￥4160000

Research Classification：

2001-2004

Allocation Class：￥58300000

Research Classification：

Allocation Class：￥20670000

Research Classification：

Allocation Class：￥15400000

Research Classification：

Allocation Class：￥413010000

Research Classification：

Allocation Class：￥3600000

2009

Research Results Outline：多細胞性シアノバクテリアAnabaena sp. PCC 7120は、窒素欠乏条件下でヘテロシストと呼ばれる細胞を、およそ10細胞に一つの割合で分化す多細胞性シアノバクテリアAnabaena sp. PCC 7120は、窒素欠乏条件下でヘテロシストと呼ばれる細胞を、およそ10細胞に一つの割合で分化する。ヘテロシストは窒素固定に特化した細胞である。光合成によって生じる酸素に対して感受性があり、不可...多細胞性シアノバクテリアAnabaena sp. PCC 7120は、窒素欠乏条件下でヘテロシストと呼ばれる細胞を、およそ10細胞に一つの割合で分化する。ヘテロシストは窒素固定に特化した細胞である。光合成によって生じる酸素に対して感受性があり、不可逆的に機能損傷を受ける窒素固定酵素が発現し、光合成系機能が抑制される。このヘテロシスト分化は、多細胞体制に見られる最も単純な秩序だった分化パターン（形態形成）の優れた研究モデルであり、分子遺伝学的解析から分化促進因子HetR、分化抑制因子PatSなど、多くの関連制御因子群が同定されてきた。　私たちは、これらの発生分化パターンの一細胞レベルでの動態を観察するため、蛍光顕微鏡と高感度の冷却CCDカメラを用いて詳細なタイムラプス解析を行い、バクテリアの細胞系譜解析を実現した。また、hetR遺伝子発現動態をリアルタイムで観察し、細胞系譜と合わせて詳細に解析した。その結果、細胞分化パターニングは、pre-deterministicに決っているのではなく、細胞間相互作用を伴って動的に運命決定されていくこと、細胞分裂を阻害しても、等間隔の細胞分化パターンを維持できることなどを見いだした。これは、細胞分裂が分化に決定的な役割を果たすとの先行研究でのモデルを覆す重要な知見である。　また、私たちは単細胞性シアノバクテリアを用いた概日リズムの研究で、さまざまな解析を行ってきた。その経験を踏まえ、Anabaenaにおける概日リズムの解析に着手し、概日リズムの発現に必須なkai遺伝子の相同遺伝子群の欠損株の作成や、ゲノムワイドな概日発現リズムを探索するためのマイクロアレイ解析を行った。マイクロアレイ解析についても今後さらに解析が必要であるが、単細胞性シアノバクテリアで得られた結果とは異なり、kai遺伝子の発現リズムがそれほど明確ではないこと、にもかかわらず一部の遺伝子の発現は高振幅リズムを示すことが分かってきた。また、kai遺伝子破壊株では、一部の概日発現遺伝子の発現リズムの異常が観察されたが、再現性を確認することが必要である。

2011

Research Results Outline：A. 多細胞性シアノバクテリアの時間パターン（概日システム）の解析：　細胞分化パターニングを示す糸状性シアノバクテリアAnabaena における概日シA. 多細胞性シアノバクテリアの時間パターン（概日システム）の解析：　細胞分化パターニングを示す糸状性シアノバクテリアAnabaena における概日システムの解析を行った。マイクロアレイ解析を複数回行い、単細胞性シアノバクテリアとは，時計遺伝子の発...A. 多細胞性シアノバクテリアの時間パターン（概日システム）の解析：　細胞分化パターニングを示す糸状性シアノバクテリアAnabaena における概日システムの解析を行った。マイクロアレイ解析を複数回行い、単細胞性シアノバクテリアとは，時計遺伝子の発現パターンや概日発現遺伝子群の発現位相分布に大きな違いがみられることを明らかにした。さらに、そこから二つの高振幅概日発現遺伝子群を抽出し、バクテリアルルシフェラーゼ遺伝子を用いた生物発光レポーター株を作製し、リアルタイムモニタリングを行うことで詳細な概日発現リズムの状態を解析することができ、連続明条件下における周期の温度補償性や暗パルスに対する光位相応答を確認した。B. シアノバクテリアの細胞分化パターニングの解析：　Anabaena の細胞分化の中枢遺伝子hetR, patS は，確証されたわけではないが，転写因子および，その活性を阻害するオリゴペプチドをコードする。自己活性化ループと自己抑制がカップリングし，抑制因子が拡散性というTuring モデルが当てはまりそうだが，妥当性は検討されていない。そこで，顕微鏡下での連続培養観測系を立ち上げ，バクテリアでは世界初となる細胞分化系譜を構築し，位置情報の決定が初期値依存的ではなく，細胞間相互作用を介して動的に決定されることを明らかにした（PLoSONE,2009）。この成果を踏まえ，マイクロデバイス工学を援用した微小流路を用い，特定の分化制御・パターン制御遺伝子候補を局所的に発現させたり，分化誘導に重要な影響を与える代謝産物などを添加できる系を構築することを目標とし、複数のデザインのデバイスを用いて解析を行った。その結果、細胞フィラメントの流路への導入には成功するが、デバイス内での成長阻害が見られており、まだ詳細な解析には至っていない。今後引き続き検討する必要がある。C. シアノバクテリアのコロニー・パターン形成の解析：　申請者が西早稲田キャンパスの池から単離した、複雑なコロニーパターンを形成する2種（Pseuanabaena, Geitlerinema）を対象とし、これらのパターンがどのようなプロセスと原理で生成するのかを解析した。まず、さまざまな環境条件下での運動パターンの定量的な観測を行い，モルフォロジーダイアグラムの構築を行った。その結果、Geitlerinemaは比較的安定な集団軌道を自律的に形成し、特徴的な渦状コロニーを形成するのに対し、Pseudanabaenaはバンドル状、円盤状、彗星状の三つの形態を動的に遷移しながら複雑かつ流動的に多様なコロニーパターンを形成することを見いだし、それらの動的パターンの定量的な解析を進めた。D. シアノバクテリアを用いたバイオメディア・アートの試み：　シアノバクテリアのパターン形成・運動過程を長期間撮影することで得られる映像に加え，細胞を用いた絵画・彫刻表現や，電気回路との接続による新たな形式のメディア芸術の展開を図った。この際，科学者・芸術家の双方にとって新しいこと（サイエンスとアートが未分化であり，双方を相補的に展開できること），ときとしてファインアートにおける造形行為を相対化する側面を持つこと，科学と芸術の境界面を鋭くえぐり出すものであること，新たな規範的な造形美の可能性を追求すること，をコンセプトとし、さまざまな作品を発表することが出来た。2010 年度はオーストリア・リンツにおいて個展およびライトアートビエンナーレへの招待展示、オランダ・ハーグにおけるオランダ国際ビエンナーレにおける招待展示を行った。2011年度はTokyo Designers Weekに多摩美術大学、慶應義塾大学SFCとの共同でバイオアートに関する展示、また岡本太郎生誕100周年記念展（岡本太郎美術館）での大規模な作品の展示を行い、多くの注目を集めた。metaPhorestと呼ばれる、生命論に興味を持つ芸術家たちがアーティスト・イン・レジデンス的に研究室に集うプラットフォームを本格化されることで、国内外でも有数の生命美学の拠点の一つを形成しつつあると考えている。岩崎は、さらに2010年に米国NSF+英国ESPRCの主宰で実現した、合成生物学に関わる芸術・デザインの国際プロジェクトSynthetic Aestheticsのメンバー（約400名の応募中12名）に選ばれ、生命美学に関するオーストラリアのアーティストとの共同プロジェクトを開始した。

2013

Research Results Outline：研究成果概要 本研究は，単細胞性および多細胞性シアノバクテリアを用いて，概日システムと光同調性，ゲノムワイドな概日発現リズムに関する基本的な性質を解析研究成果概要 本研究は，単細胞性および多細胞性シアノバクテリアを用いて，概日システムと光同調性，ゲノムワイドな概日発現リズムに関する基本的な性質を解析するものであり，以下に述べる4点に大きな進展を見た。1.　転写翻訳フィードバック様式と光同調に関す...研究成果概要 本研究は，単細胞性および多細胞性シアノバクテリアを用いて，概日システムと光同調性，ゲノムワイドな概日発現リズムに関する基本的な性質を解析するものであり，以下に述べる4点に大きな進展を見た。1.　転写翻訳フィードバック様式と光同調に関する解析：単細胞性シアノバクテリアSynechococcus elongatus PCC 7942は，連続明条件下（増殖時）ではゲノムワイドな転写リズムを誘導するが，連続暗条件下では時計遺伝子群kaiABCを含む大部分の転写翻訳が停止する。この条件や，転写・翻訳阻害剤を過剰に投与した条件においても，KaiC蛋白質のリン酸化振動が持続する（Science, 2005a）。さらに，時計蛋白質（KaiA, KaiB, KaiC）をATPとインキュベートするだけで， KaiCのリン酸化振動を試験管内で再構成できる（Science, 2005b）。　いっぽう，kai遺伝子群は連続明条件では顕著な発現振動を呈し，転写翻訳フィードバックが二次的に動作していることが分かっている。もし，中心振動子が翻訳後修飾レベルの事例振動であるとすれば，シアノバクテリアのこの転写翻訳フィードバックは何らかの機能を担っていないのであろうか。概日時計は明暗サイクルに同調するため，一定時間以上の暗期により，位相の調整（同調）が起こらねばならない。私たちは，明期に駆動される時計遺伝子群の周期的な発現変化が，暗パルスに対する時計の同調に時刻依存的な影響を強く及ぼしていることを示し，新たな光同調機構の存在を示した。すなわち，シアノバクテリアの時計の光同調には、翻訳後修飾レベルで生じる生化学的なKaiCリン酸化反応のリズムと，その振動状態を周期的に変化させる転写・翻訳フィードバック・ループの双方が密接に関連していることを初めて明らかにした。この成果をHosokawa et al. (2013)としてPNAS誌に発表した。2.　時計遺伝子kaiAとゲノムワイドな発現調節の関連についての解析：kaiAの過剰発現株では，kaiBC遺伝子を含め，主観的黄昏時にピークを持つ概日発現遺伝子の発現が軒並み活性化されること，逆に主観的明け方にピークを持つ概日発現遺伝子群の発現が著しく低下することをマイクロアレイ解析により明らかにした。つまり，kaiA過剰発現株は，事実上時計が主観的黄昏時で時計が停止した表現型を呈する。この我々の研究と，kaiA過剰発現株における外来遺伝子発現解析の結果を，Xu et al. (2013)としてCurr. Biol.誌に発表した。3．KaiCリン酸化振動を欠く変異株における入出力系の解析：KaiCの二か所のリン酸化部位（Ser431,Thr432）をグルタミン酸に置換したkaiCEE株では，リン酸化リズムは消失するが，約48時間の長大な周期のkaiC転写リズムが駆動されるが，そのメカニズムは明らかではない。そこで，このリン酸化リズム消失変異株の概日振動子と概日入出力特性を解析することで，概日システムにおけるKaiCリン酸化リズムの機能を解析した。まず，マイクロアレイを用いて，kaiCEE株の転写制御解析を試みたところ，意外にも安定かつ顕著な長周期リズムを観察することが出来た。KaiC蛋白質は，従来そのリン酸化状態の変化を，申請者が発見した二成分情報伝達系因子SasA-RpaA（Cell 2000; PNAS 2006）に直接相互作用することを介して，時刻情報をリン酸化リレーとして伝達すると考えられてきた。しかし，上記の結果は，その時刻情報伝達にKaiCのリン酸化サイクルが必ずしも必須でない可能性を示唆する。さらに，kaiCEE株における時刻依存的な位相応答や，暗期中の計時機構に関する解析とともに，その転写振動の安定性を評価するための温度補償性の解析を行った。その結果，野生株に比べて著しい位相応答を示すほか，この株が連続培養条件下で著しく明瞭な転写リズムを示すこと，そして明瞭な温度補償性を示すことを示し，Umetani et al. (2014)としてJ. Bacteriol.誌に発表した。4．多細胞性シアノバクテリアにおける概日システム解析：　従来，概日時計と発生・分化の高次クロストークの研究は高等生物に限定されていたが，窒素欠乏下で窒素固定に特化したヘテロシストを分化する多細胞性シアノバクテリアAnabaena sp. PCC 7120は，両者の関わりを解析するもっとも単純で強力な系となる可能性が高い。そこで解析を行ったところ，単細胞性では最も高い振幅を誇るkaiBC遺伝子発現リズムはAnabaenaでは殆ど観察できなかったが，ゲノムワイドな転写リズムのプロファイル，kai遺伝子欠損株における転写リズムの停止などを確認した。さらに，ヘテロシスト内は，酸化還元状態，酸素分圧など，細胞内環境が光合成細胞と著しく異なるが，窒素欠乏下，ヘテロシストでのみ特異的に高振幅で発現振動する遺伝子群を発見し，ヘテロシスト分化における概日振動の役割を解析する端緒を得た。これらの成果は，Kushige (2013)として，J.Bacteriol.誌に発表した。

2014

Research Results Outline：シアノバクテリアSynechococcus elongatusPCC 7942を材料に，主として明->暗切り替えに伴う大規模なゲノムワイドな転写シアノバクテリアSynechococcus elongatusPCC 7942を材料に，主として明->暗切り替えに伴う大規模なゲノムワイドな転写パターンの相転移（ほとんどの遺伝子発現が直ちに停止し，総mRNA量が劇的に低下する）のメカニズムの...シアノバクテリアSynechococcus elongatusPCC 7942を材料に，主として明->暗切り替えに伴う大規模なゲノムワイドな転写パターンの相転移（ほとんどの遺伝子発現が直ちに停止し，総mRNA量が劇的に低下する）のメカニズムの解析を行った。その結果，当初はこの現象は光合成の停止に伴うATPの枯渇によってもたらされる受動的な影響と考えられていたのに対し，むしろエネルギー消費を積極的に行う能動的プロセスであることを明らかにした。

2017

Research Results Outline：私たちは，糸状性シアノバクテリアGeitlerinemaが，環境に依存してサイズの異なる二種類の巨大な渦状コロニーを自己組織的に形成する現象を発見した私たちは，糸状性シアノバクテリアGeitlerinemaが，環境に依存してサイズの異なる二種類の巨大な渦状コロニーを自己組織的に形成する現象を発見した。このダイナミクスを解析するため，定量的な細胞・コロニーの時間発展パターンの観察と解析を行って定性...私たちは，糸状性シアノバクテリアGeitlerinemaが，環境に依存してサイズの異なる二種類の巨大な渦状コロニーを自己組織的に形成する現象を発見した。このダイナミクスを解析するため，定量的な細胞・コロニーの時間発展パターンの観察と解析を行って定性的なコロニーパターン発生モデルを提案し，数理モデルと計算機シミュレーションを行った。さらに分子遺伝学的な解析を試みるため，既に形質転換系が確立しているLeptolyngbyaを用いてGeitlerinemaの形態変異の相同原因遺伝子の解析を進めた。

2018Collaborator：河本尚大

Research Results Outline：シアノバクテリアSynechococcuselongatus PCC7942の概日時計は時計タンパク質KaiA, KaiB, KaiCからなり，これらシアノバクテリアSynechococcuselongatus PCC7942の概日時計は時計タンパク質KaiA, KaiB, KaiCからなり，これら三つの蛋白質とATPをインキュベートすることでKaiCのリン酸化振動を試験管内で再構成できる。この...シアノバクテリアSynechococcuselongatus PCC7942の概日時計は時計タンパク質KaiA, KaiB, KaiCからなり，これら三つの蛋白質とATPをインキュベートすることでKaiCのリン酸化振動を試験管内で再構成できる。このことから，三種類のKai蛋白質は「生物時計の最小構成単位」として広く認知されている。しかし，私たちは，必須の時計因子と考えられてきたKaiAの機能欠損株においても， kaiBC遺伝子発現（プロモーター活性）に減衰型の振動が再現よく見られることを発見した。2018年度は，この減衰振動の分子メカニズムを検討するうえで，Kai蛋白質の性質を踏まえるべくKaiA存在下および非存在下でのKai蛋白質複合体形成能に関してin vivoとin vitroで解析した。

2005

Research Results Outline：多細胞性シアノバクテリアのモデル種としてAnabaena PCC 7120の細胞分化の中枢遺伝子の一つhetR，patSは，それぞれ転写因子およびその多細胞性シアノバクテリアのモデル種としてAnabaena PCC 7120の細胞分化の中枢遺伝子の一つhetR，patSは，それぞれ転写因子およびその転写調節因子をコードしている。HetRは自身の転写の促進因子であり，patSの転写も促進する。いっ...多細胞性シアノバクテリアのモデル種としてAnabaena PCC 7120の細胞分化の中枢遺伝子の一つhetR，patSは，それぞれ転写因子およびその転写調節因子をコードしている。HetRは自身の転写の促進因子であり，patSの転写も促進する。いっぽう，PatSは拡散性のオリゴペプチドで，HetRの働きを抑制し，ネガティブフィードバックを生み出す。したがって，自己活性化ループと自己抑制ループのカップリングしたネットワークを含む，さらに抑制因子が拡散性であるようなネットワークであり，そのままTuring patternによる固定波形成ネットワーク・モデルに妥当している。当初は，この遺伝子ネットワークを異種生物である大腸菌に組み込み，大腸菌をテストチューブとして遺伝子機能やそのダイナミクスを解析することを目標とした。 そこで，まず大腸菌にhetRオペロンとpatSを遺伝子導入し，転写レベルの発現活性化・抑制を再現出来るかをチェックした。この際，レポーターとしてバクテリアルシフェラーゼを用い，遺伝子発現の経時変化のリアルタイムモニターを行ったが，発光を確認できず，hetRオペレーターは大腸菌では働かないことが明らかになった。 そこで，現実のシアノバクテリアにおけるhetRの遺伝子発現のリアルタイムモニタリング系の構築のほうが重要であると判断し，蛍光顕微鏡観察条件下で連続的にバクテリアを長期培養・遺伝子発現モニタリングできる系の開発に成功した。これにより，バクテリアの発生に関する細胞系譜を初めて取得することに成功した。　これらの成果は，バクテリアを用いた形態形成の研究を飛躍的に向上させるものとして，国際的にも大きなインパクトを与えつつある。