一細胞顕微操作系を援用した多細胞性シアノバクテリアの形態形成原理の解明

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私がモデル生物に使用する糸状性シアノバクテリアは、光合成を行う栄養細胞を1次元状に連ねることで多細胞体制をとり、培地から窒素化合物を除去すると、窒素固定を行うヘテロシスト細胞をほぼ10細胞ごとに分化させる(ヘテロシスト分化パターン)。細胞レベルで観察される分裂・分化ダイナミクスや細胞間相互作用により、どのようにヘテロシスト分化パターンが形成・維持されるか解明するため、数理モデルと顕微鏡観察結果とのフィードバックを繰り返す。最終的に、形態形成現象を普遍的に理解するための新規数理モデルの作製を目指す。今年度は、第1～2年度に行った研究を論文化する準備を行った。その過程で、ヘテロシスト分化パターン形成の初期と後期段階では、分化が細胞の成熟に非依存/依存して起こることを厳密な統計解析から示した。これらの現象は、分化促進遺伝子の発現プロファイルからも示唆され、私たちの作製した数理モデルの妥当性を強く主張する結果となった。また、分化パターンが維持されるために、ヘテロシストによる側方抑制が最も影響することを理論的に示し、他のグループから報告されている変異体の表現型を再現することにも成功した。さらに、第2年度から始めた「ラマン散乱分光計測による分化パターン形成ダイナミクスの解析」を論文発表した。栄養細胞特異的に発現するラマンバンド成分を解析することで、一度分化しかけた細胞はその履歴を残さないことを明らかにし、細胞間相互作用を介してヘテロシスト分化が調節的に決定されることを示した。これらの解析結果は、数理モデルを作製するうえで仮定したことを現象的に支持することとなった。