RESEARCH MATERIAL&METHODS/研究材料・方法

[ツメガエル卵細胞質抽出液を用いた無細胞再構成系]

我々の研究室では、ツメガエルの卵細胞質抽出液を用いた核の無細胞再構成系を主に実験に用いています。

[A cell-free system using Xenopus egg extracts]

 We are mainly using a cell-free system for reconstructing a nucleus by using X. laevis egg extracts.

未受精卵から単離した細胞質に精子クロマチンを加え培養することで、試験管内で細胞核（上図）やその他細胞内構造体を再構成することが出来ます。また抽出液中で細胞周期も進行させることも可能です。この実験系は全て試験管内で行うので、外部からの試薬の添加、培養に用いる容器の変更など、細胞内の条件を人為的に操作することが可能です。この利点を用い、核や紡錘体などの細胞内構造体が形成される仕組みを解析しています。

[使用する生物材料]

現在、アフリカツメガエル (Xenopus laevis)やネッタイツメガエル（Xenopus tropicalis）を主に、無細胞再構成系の生物材料として用いています。

線虫（Caenorhabditis elegans）の飼育も始めました。さらに、採取・入手可能な両生類の使用にも挑戦中です。

[マイクロ流体デバイス]

マイクロ流体工学の装置 (Microfluidic devices)を用いることで、

無細胞系の中で様々な操作・摂動を与え、解析を行います。これまでに、細く、浅い流路（チャネル）の中で核を培養しました（下図）。

 A nucleus (see upper figure) and some cellular structures can be reconstructed in vitro after mixing and incubating isolated cytoplasm from unfertilized eggs with sperm chromatin. Moreover, it is possible to progress cell cycle in the extract. Since this extract is open system, we can manipulate very easily cellular parameters like by adding reagents, changing incubation chambers, and so on.

[Research Materials]

 We are currently using frogs (Xenopus laevis, Xenopus tropicalis) and as materials for preparing the cell-free system.

 We will challenge to use other organisms like other amphibians and worm (Caenorhabditis elegans) for near future.

[Microfluidic Devices]

 We are combining special techniques of microfluidics with the cell-free system. The advantages of this combination are to impose various perturbations and manipulation in cell-free system. We reconstructed the nuclei inside shallow and narrow channels (lower figure). 

左：流路が彫ってあるシリコーンチップ。右：その中で培養した核（青：DNA、赤：微小管、緑：膜成分、白点線：流路の壁の位置）。

[定量解析と比較解析]

「サイズ」を考えるには、観察からサイズを定量する必要があります。様々な実験材料を観察し、画像処理によりサイズを測定します。抽出したサイズの情報は、様々な条件や異なる生物種などと比較することで、サイズの情報が持つ共通性や相違性を理解します。この情報の特性を理解することで、その背後に存在する制御原理を考察します。例：約800種類の細胞の核体積と細胞体積の比較（Hara, J Cell Sci (2020)より引用）

Left: A silicon chip having various channels; Right: the reconstructed nuclei inside the chip (Blue: DNA, Red: microtubules; Green: membranes; White dotted line: positions of walls in the channels).

[Quantitative and Comparative approaches]

 To consider "size", it is required to quantify the size from bio-images. We extract the information of size from observed images by image processing. When comparing the obtained information among different conditions and species, we might find some rules of the size. These quantitative rules allow us to understand the underlying principles for controlling the size.

Example: the comparative analysis of nuclear volume and cell volume among approx. 800 cell types across the Tree of Life. (image from Hara, J Cell Sci (2020))