Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

血管内皮細胞 / せん断応力 / ミトコンドリア / ATP / メカノバイオロジー

本年度は研究計画に沿い、以下の項目について新たな結果を得た。

1) ミトコンドリアにおけるATP濃度変化のリアルタイム計測：ミトコンドリアを標識するATP感受性の蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）プローブを用いてミトコンドリアATPの濃度変化のリアルタイム計測を行った。アデノウイルスベクターを用いて培養ヒト肺動脈内皮細胞（HPAECs）に遺伝子を導入し、HPAECsのミトコンドリアにATPプローブが発現することを、ミトコンドリアの特異的マーカーであるMitoTrackerと共局在することにより確認した。
2) 力学的刺激に伴うミトコンドリアATP産生機構の解析：ATPプローブを発現したHPAECsに流れ負荷装置で剪断応力を、伸展刺激装置や低浸透圧で伸展張力を加えた時のミトコンドリアATP濃度の変化を解析した。ATP濃度は剪断応力刺激で増大する一方、伸展張力刺激で減少した。電子伝達系の阻害剤(oligomycin, rotenone, CCCP)と解糖系の阻害剤(2-deoxyglucose, indoacetic acid, NaF)の効果を比較・検討したところ、剪断応力によるATP増大には、電子伝達系の働きが主である事が確認された。また、細胞内のプロトンの動態をpH指示薬SNARFで観察したところ、剪断応力により、細胞質内が酸性化することを見出した。更に、ミトコンドリア酸素活性を閉鎖系で測定可能な分析装置(Oxygraph-2k)で定量したところ、細胞膜コレステロールの多寡により酸素消費量が変化し、剪断応力依存的なミトコンドリアATP産生及び、細胞質内pH変化に重要な役割を果たすことが明らかになった。

以上の結果から、剪断応力により酸素消費量が増大すると同時に電子伝達系が活性化し、ミトコンドリア膜にプロトンの濃度勾配が発生することで、ATPが産生する分子機構の存在が示唆される。

プレシナプス / ミトコンドリア / 小胞体 / カルシウム / 小胞体ーミトコンドリア接触 / ATP / シナプス小胞

神経活動時の高いエネルギー需要に応えるため、プレシナプスにおいてミトコンドリアによるATP産生は厳密に制御されると考えられるが、そのメカニズムは良く分かっていない。本研究では、ミトコンドリアと小胞体の物理的接触 (Mitochondria-Endoplasmic Reticulum Contact Site; MERCS) がミトコンドリアによるATP産生を制御する可能性を検証した。その結果、MERCSがミトコンドリアのカルシウム取り込みを制御し、プレシナプスにおけるシナプス小胞の放出制御に関わる可能性を見出した。

近年、小胞体とミトコンドリアの接触とアルツハイマー病やパーキンソン病などの神経変性疾患の発症との関連が報告されている。また、これら疾患はシナプス機能の低下に起因する可能性が指摘されているが何がシナプス機能の低下を引き起こすかは不明である。本研究から、小胞体ーミトコンドリアがシナプス機能制御に寄与する可能性が明らかになり、新規の薬剤ターゲットや治療法開発につながる可能性がある。

血管内皮細胞 / ATP / ミトコンドリア / 流れせん断応力 / メカノトランスダクション

細胞や組織が力学刺激を感知して反応することはその機能や生存に極めて重要であるが、その仕組みは十分解明されていない。本研究では血管内皮細胞が血流に起因する流れ剪断応力の情報を伝達する分子機構をミトコンドリアをに焦点を当てた新しい視点から解析した。ミトコンドリア標的型のATPセンサーを発現した血管内皮細胞に剪断応力を負荷すると、ATPが産生した。ミトコンドリアの酸化的リン酸化を阻害すると、剪断応力依存的なATP産生と内因性ATPの放出、ATP作動性チャネルP2X4を介したカルシウム反応が有意に抑制され、剪断応力の情報伝達機構にミトコンドリアのバイオエナジェティクスが重要な役割を果たす事が示された。

これまで、細胞が必要とするエネルギーを供給するオルガネラと考えられてきたミトコンドリアに、本研究成果から、力学的刺激をセンシングしてその情報をATPシグナリングとして細胞内へ伝達するという新しい機能の存在を示すことができた。血流センシング機構におけるミトコンドリアの役割を解明する本研究提案は循環系の恒常性の維持や血管病の発生機序の解明に直接繋がり、エネルギーの源であるATPの産生を司るミトコンドリアの作動機構を解明することは生命の動作原理に迫る意義を持つ。以上の研究成果はメカノバイオロジー研究に加えて、バイオエナジェティクス研究の新たな展開に貢献できると考える。

遺伝子発現プロファイリング / アポトーシス / ミトコンドリア / 加齢変化 / 胚 / 卵子 / mtDNA copy数 / ATP / 胚発生能 / 受精能 / mtDNA / depletion / ゼブラフィッシュ

細胞質内に生命活動に必要な酸化的リン酸化代謝機能を司るミトコンドリアは卵子内に多く存在する。そのミトコンドリアDNA(mtDNA)はヒト未受精卵・未分割胚において30歳台より40歳台でcopy数の減少を認めた。また,分割胚において割球の体積とmtDNA copy数との間に正の相関関係を認めた。ゼブラフィッシュ胚を用いて,胚の形態と胚発生速度について検討を行った。形態不良胚は胚発生速度が遅く,老化したゼブラフィッシュ(12ヶ月齢,18ヶ月齢)からの胚発生効率は低下した。また,ゼブラフィッシュ胚のアポトーシスに関わるカスパーゼ遺伝子発現胚発生不良胚(遅延胚)におけるカスパーゼ遺伝子発現が亢進し,アポトーシスが亢進している事が認められた。

【研究分担者】
安藤譲二	獨協医科大学	医学部	特任教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
安藤譲二	獨協医科大学	医学部	特任教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
吉村泰典	慶應義塾大学	医学部	教授	(Kakenデータベース)
橋場剛士	慶應義塾大学	医学部	助教	(Kakenデータベース)
佐藤卓	慶應義塾大学	医学部	助教	(Kakenデータベース)