Aniruddha Mitra, Elizaveta Loseva, Erwin J. G. Peterman. “IFT cargo and motors associate sequentially with IFT trains to enter cilia of C. elegans.” Nature Communications 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-47807-2
背景
繊毛はほとんどの真核細胞に突き出た感覚器官であり、外部の信号を細胞体に伝える役割を果たしている。そのため、繊毛の正常な機能は細胞の正常な動作にとって非常に重要である。繊毛内部には細胞体とは異なる特定のタンパク質のプールが必要であり、この異なる組成を維持するために、真核細胞は特殊な細胞内輸送システムである**繊毛内輸送（IFT）**を使用している。
IFTは、主にIFT-BおよびIFT-A複合体からなる大規模なポリマー構造であり、これらの複合体が規則的に繰り返されることで形成される。IFTトレインは、繊毛基底部で組み立てられ、キネシン-2モーターによって駆動されることで、繊毛基底部から移行領域（TZ）を経て繊毛の先端まで輸送される。C. elegansにおいては、順行性IFTは、ヘテロ三量体キネシン-IIとホモ二量体OSM-3の2つのキネシン-2モーターによって駆動される。キネシン-IIは移行領域を越える際に順行性IFTトレインをナビゲートし、その後徐々に速いOSM-3に置き換えられて、繊毛の先端まで輸送される。
従来の研究では、蛍光回復法（FRAP）や構造解析により、繊毛基底部で順行性IFTトレインが段階的に組み立てられることが示されている。IFT-B複合体がテンプレートとして機能し、IFT-A、IFT-ダイニン複合体、およびキネシン-IIが順次結合することでトレインが形成される。さらに、いくつかの繊毛膜タンパク質が順行性IFTトレインに結合して移行領域を越えることが示されている。
従来の問題点
しかし、順行性IFTトレインがどのようにして繊毛基底部で組み立てられ、どのようにしてタンパク質がこれに結合するかはまだ完全には理解されていない。また、繊毛基底部でのIFTトレインの動態や、異なる繊毛タンパク質がどのようにしてIFTトレインと結合して移行領域をナビゲートするかについての理解も不十分である。
解決方法と実験結果
そこで、本研究ではC. elegansの化学感覚ニューロンの繊毛をモデルシステムとして使用し、単一分子イメージングを用いて、キネシン-II、OSM-3、およびIFT-ダイニンモーターとチューブリンが繊毛にどのように入るかを直接観察した。**小窓照明顕微鏡法（SWIM）**を使用して、PHA/PHBニューロンペアの繊毛におけるこれらのタンパク質のエントリーを可視化し、単一粒子追跡を行った。これにより、IFT成分が時間的および空間的に順次トレインに結合することが示された。
また、野生型および変異体の線虫におけるIFT成分の超解像マッピングを行い、キネシン-IIが軸糸の組織化に不可欠であることを明らかにした。特に、キネシン-IIおよび/または移行領域機能を欠く繊毛のイメージングにより、キネシン-IIとOSM-3の相互作用がIFTトレインを効率的に移行領域を越えて運ぶ上で重要な役割を果たしていることが示された。
本研究では、Cobolt社製レーザーを用いて、SWIM法による単一分子イメージングのための蛍光励起および漂白に使用した。Cobolt社製のレーザー発振器は高いレーザー強度を提供し、長時間にわたり高信号対背景比の単一分子イベントのイメージングを可能にする。
使用されたCoboltのレーザー
