研究者詳細

顔写真

ヒグチ　ヒデオ
樋口　秀男
Hideo Higuchi
所属
未来科学技術共同研究センター　開発研究部　サルコペニアプロジェクト
職名
特任教授（研究）
学位

  • 理学博士（早稲田大学）

  • 理学修士（早稲田大学）

共同研究・競争的資金等の研究課題 11

  1. 生体にみられる振動・らせん運動の統一的理解に向けたマルチモーダル計測と理論構築

    樋口 秀男

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    2022年4月1日 ～ 2025年3月31日

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    ダイニンは、真核生物の鞭毛において振動運動を生み出すマイナス末端指向性モーターである。細胞膜の最も重要な特徴である周期的な拍動は、ダイニンが微小管に沿って時空間的に制御することによって起こる。ダイニンは微小管に沿って時空間スライディングすることによって起こる。鞭毛振動におけるダイニンの振動の役割を明らかにするために、我々は3つの異なる軸索切断段階におけるダイニンの生化学的性質を調べた。無傷の9 + 2構造から出発して、相互作用するダブレットの数を減らし、各段階で発生する振動力の3つのパラメータ、すなわち結合割合、反応時間、ステップサイズを決定した。軸索、ダブレットバンドル、単一ダブレットの無傷のダイニン分子を用いて、光ピンセットで力を測定した。3つの軸糸の条件下で測定されたダイニン1個あたりの平均力は、以前に報告された軸糸ダイニンの停止力よりも小さかった。この現象は、結合割合が以前考えられていたよりも低いことを示唆している。この可能性は、精製ダイニンを用いたin vitro運動性アッセイによってさらに確かめられた。測定された力から推定された反応時間とステップサイズは同様であった。これらのパラメーターの類似性から、ダイニンの振動の本質的な性質は、分子に固有のものであり、軸糸の構造とは無関係であることが示唆される。 また、キネシンの幅広い荷重下での力の発生を理解するために、光学ピンセットを用いて20～42pNの荷重下でのキネシン分子のステップ運動を測定した。その結果、前進と後退のステップサイズはステップサイズは8.2 nmであった。ヒストグラム後方ステップと解離の反応時間のヒストグラムは、速い時定数（0.4 ms）と遅い時定数（>3 ms）を持つ2つの独立した指数関数式に従った。

  2. 生体にみられる振動運動の高精度測定と振動の統合的理解にむけた理論構築

    樋口 秀男, 佐々木 一夫

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    研究機関：The University of Tokyo

    2019年4月1日 ～ 2022年3月31日

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    本研究では、生体にみられる振動運動のメカニズムを実験と理論の両面から統合的に理解を行った。心筋から精製したミオシン分子にみられる振動的運動を説明するために、3状態モデルを立て、シミュレーションを行ったところ、ミオシンの力を発生するのとは逆向きに反応が起こることが重要であることが推定された。心筋細胞の温度を数度あげると自励振動が起こるが、この振動を解析し、シミュレーションと突き合せたところ逆反応が重要であることが支持された。さらに、心筋から精製したミオシン分子を用いて、負荷をかけると逆反応が頻繁に起こる現象が確認され、逆反応と振動が密接に関係することが示唆された。

  3. 細胞丸ごと高速超解像イメージング

    樋口 秀男

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

    研究機関：The University of Tokyo

    2017年6月30日 ～ 2020年3月31日

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    通常の顕微鏡で撮影した画像に対して超解像度を得る方法の開発を行った。骨格筋ミオシンフィラメントに顕微鏡の分解能以内に位置するミオシン２～３分子に金ナノ粒子（40nm）を結合し、高速カメラで金ナノ粒子をイメージングを行った。分解能以内にある複数の金粒子の位置を解析するために、Multi-Emitters Localization 法を用いて、各ミオシン分子の変位に分離することに成功し、アクチンと相互作用時の各分子の動態を0.1msの高時間分解能で計測することがきた。各分子はアクチンとの相互作用時において、10nm程度変位することが明らかとなった。また分子間の動きが同調している様子も観察された。

  4. 1分子・少数分子・細胞内モーター分子の運動機構を実験・理論の両面から解明する

    樋口 秀男, 茅 元司, 佐々木 一夫

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    研究機関：The University of Tokyo

    2016年4月1日 ～ 2019年3月31日

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    細胞内の物質輸送や細胞分裂を担うモータータンパク質であるキネシン、ミオシンV、ダイニンは一定の歩幅で長距離を解離することなく、前進運動や後退運動を行う。これら三種類のモータータンパク質の１分子の運動特性を統一的に記述するために運動を単純化して、2つの状態を遷移する数理モデルを提案し、このモデルによって本研究や過去の実験結果をうまく説明することができた。 また、筋肉由来のミオシン多分子による力発生を測定した結果、協同的に力発生を行うことが、実験的にもシミュレーションによっても明らかとなった。このような協同的な運動が単離幼若心筋の周期的収縮と関連していることが示唆された。

  5. 細胞内分子機能のナノイメージングと機能のモデル解析

    樋口 秀男, 茅 元司

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

    研究機関：The University of Tokyo

    2011年4月1日 ～ 2016年3月31日

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    我々は，細胞内やマウス体内で起こる生命現象を1分子・1粒子・1細胞を高時空間分解能で観察し機能の解明を行った．マウス耳介に腫瘍化したがん細胞のイメージングや好中球の動く様子を，マウスを傷つけることなく高時空間分解能でイメージングした．観察像の結果，腫瘍からがん細胞が突起していることや好中球内の小胞は非常に活発に運動していることが明らかとなった．また，がん細胞の損傷度を定量化するために，細胞の位相差像を取得し各画素の光強度揺らぎから細胞内の運動を計測した．この計測結果は，これまでに行われた染色の結果とよく一致したことから，揺らぎ法を用いて細胞損傷を継時的に定量することが可能となった．

  6. マウス内非侵襲1分子観察

    樋口 秀男

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

    研究機関：The University of Tokyo

    2013年4月1日 ～ 2015年3月31日

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    非侵襲で1粒子レベルで小胞輸送を観察するため明るい量子ドットを作成を行った．量子ドットを40 nMで液体窒素によって急速に冷却することで、数１０個～数１００個程度の量子ドットによる凝集体を形成した。 マウス腫瘍に対して，量子ドットの蛍光が観察できるかを確認した．がん細胞に過剰に発現しているEGFRに対する抗体を量子トッドに結合して，マウスの尾静脈から注入した．約1時間後に腫瘍部位を非侵襲で，共焦点観察を行った．その結果ブリンキングするような単一量子ドットを観察することができないが，多粒子であれば，観察が可能であることが明らかとなった．ナノ粒子の蛍光を元に細胞の輪郭を同定できた．

  7. 生体内ナノイメージングによる細胞ダイナミクスの解析

    小比類巻 生, 福田 紀男, 大槻 磐男, 照井 貴子, 樋口 秀男, 下澤 東吾

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

    研究機関：Jikei University School of Medicine

    2011年4月28日 ～ 2015年3月31日

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    本研究では、腫瘍細胞や心筋・血管平滑筋細胞内の構造タンパク質（α-actininやEB1）を取上げ、共焦点顕微鏡を用いたin vivo高速ナノイメージングを駆使して観察と動態解析を行った。その結果、培養細胞および三次元培養系では、微小管伸長速度が温度依存性に上昇することを確認した。また、生きたマウスの心臓においては、単一サルコメア動態を世界で初めて観察することに成功した。

  8. Ｉｎ ｖｉｖｏナノイメージングによる心筋興奮収縮連関のメカニズムの解明

    福田 紀男, 照井 貴子, 小比類巻 生, 栗原 敏, 大槻 磐男, 石渡 信一, 樋口 秀男, 大山 廣太郎

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    研究機関：Jikei University School of Medicine

    2011年4月1日 ～ 2015年3月31日

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    1）ラット培養幼若心筋細胞のZ線にAcGFPを発現させ、収縮の最小単位であるサルコメアの長さ変化を細胞内Ca濃度変化と同時にnm精度で解析できるシステムの構築に成功した。2）ラット培養幼若心筋細胞において、約38℃以上の条件下、高速（~10 Hz）のサルコメア振動（HSOs）が生じることを見出した。3）マウスin vivo心臓において、心筋細胞内ナノ分子情報を抽出できる新たな顕微システムを構築し、サルコメアの動きを高空間・時間分解能で捉えることに成功した。4）Frank-Starling機構について解析し、その程度が細いフィラメントの”on-off”平衡に依存していることを見出した。

  9. 階層を登る１分子生理学－分子内、１分子そして細胞へ－

    樋口 秀男

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

    研究機関：The University of Tokyo

    2011年4月1日 ～ 2015年3月31日

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    組換ヒト双頭ダイニン分子の力測定と単頭ダイニンの破弾力の測定を行った．その結果ダイニン分子は，約6pNの大きな力を発生する能力があり，天然ダイニンの発する力と同程度であった．単頭ダイニンの破弾力は，ADP，AMPPNP，核酸なしでは強結合であったが，ADPVi存在下では弱結合であった．また力を前方向に加えると外れやすかった．ダイニンの前方への歩行に有利であることが明らかとなった． 細胞内にPAR-1膜タンパク質がエンドサイトーシスされる過程を3次元的に高精度（~10nm)に測定を行った結果，細胞膜から細胞内にエンドサイトーシスするだけでなく，細胞内から細胞膜に戻る反応も発見された．

  10. 心疾患早期診断のための分子イメージング技術の開発

    福田 紀男, 照井 貴子, 小比類巻 生, 栗原 敏, 大槻 磐男, 石渡 信一, 樋口 秀男

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

    研究機関：Jikei University School of Medicine

    2011年 ～ 2013年

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    我々は、細胞および個体において心筋細胞内分子情報を抽出することのできる高精度イメージングシステムを開発した。I）ラット単離心筋細胞において、量子ドットを用い、単一サルコメア長を正確に計測した。II）ラット幼若心筋細胞にAcGFPを発現させ、単一サルコメア長変化を3 nmの精度で計測した。III）マウス心臓において、Ca蛍光指示薬を用いて心筋細胞内Ca動態を観察した。IV）マウス個体の心筋細胞内にAcGFPを発現させ、単一サルコメアの動きを観察した（サルコメア長の計測精度、20 nm）。本研究において開発したこれらの技術は、心疾患の早期診断装置を開発する上で重要な知見を提供するものと期待される。

  11. in vivoナノイメージング技術の開発と生体運動機構の解明

    樋口 秀男

    2006年 ～ 2011年

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    動物個体の機能を分子レベルで理解するために、マウスin vivo（個体内）の分子挙動をナノイメージングする装置を開発し、in vivoにおける生体運動の機構を解明します。そのために、複数の同色あるいは異色の量子ドットからなる粒子を合成し、この粒子に特定の分子を結合してマウス組織内に導入し、新規開発のin vivoイメージング装置にて分子の運動を観察し、生体運動の分子機構を統合的に解明します。

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