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名大・東大・理研、細胞が生きたままでミトコンドリアの内膜構造を鮮明-ミトコンドリア蛍光標識剤を開発

発表日:2019年7月23日

細胞が生きたままでミトコンドリアの内膜構造が鮮明に見えた

~ミトコンドリアの形態制御異常がもたらす神経変性疾患の診断技術や創薬開発ツールとして期待~

■ポイント

・ミトコンドリアの形態が細胞機能と密接な関係があることから、ミトコンドリアのクリステ(注1)を生きたまま可視化できるイメージング技術が求められていた。

・強いレーザー光の照射下でも褪色しない細胞膜透過性ミトコンドリア蛍光標識剤MitoPB Yellowを開発し、超解像STEDイメージング(注2)により、細胞が生きたままの状態でクリステ構造を鮮明に捉えることに成功した。

・クリステの経時的な構造変化をリアルタイムで観察することが可能になった。

・ミトコンドリア障害が関与する神経変性疾患の診断技術や治療薬開発ツールとしての応用が期待される。

名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所(ITbM)の山口 茂弘 教授、多喜 正泰特任准教授、物質科学国際研究センターの王 晨光(Chenguang Wang)研究員らの研究チームは、理化学研究所生命機能科学研究センター(BDR)の岡田 康志チームリーダー(東京大学大学院理学系研究科、東京大学国際高等研究所ニューロインテリジェンス国際研究機構(IRCN))らと共同で、褪色に極めて強いミトコンドリア蛍光標識剤「MitoPB Yellow(マイトピービー・イエロー)」を開発し、ミトコンドリアの内膜構造を超解像STED顕微鏡によって、生きたまま鮮明に可視化することに成功しました。繰り返しの撮影でも褪色しないことから、経時的な内膜の形態変化を追跡することも可能です。

ミトコンドリアは、内膜と外膜に囲まれた二重膜構造になっています。内膜は「クリステ」と呼ばれ、内側に折り畳まれたひだ状の構造をとることによって細胞に必要なエネルギー産生の効率を高めています。このクリステ構造の観察には、透過型電子顕微鏡注3)を用いる手法が最も一般的ですが、生きた細胞には適用できません。これに対し、光の回折限界注4)を超える分解能で微細構造を可視化する「超解像顕微鏡」を用いると、細胞が生きたままの状態で細胞小器官を観察することができます。しかし、超解像顕微鏡でミトコンドリアのクリステ構造を可視化するには、従来のミトコンドリア標識剤注5)では内膜のみを染色できないことが問題でした。加えて、光照射によって蛍光色素が著しく褪色してしまうため、クリステの構造変化をつぶさに観察し続けることができませんでした。

今回、共同研究チームは、極めて高い光安定性をもつ超耐光性ミトコンドリア蛍光標識剤「MitoPB Yellow」の開発に成功しました。MitoPB Yellowは、ミトコンドリア内膜に存在するタンパク質と結合し、強く発光するという性質をもっています。STED顕微鏡技術とあわせることにより、細胞が生きたままの状態でクリステ動態を鮮明に捉えることに成功しました。ミトコンドリアの形態は、細胞のエネルギー代謝のみならず、パーキンソン病やミトコンドリア病などの神経変性疾患とも深く関連することから、診断薬としての応用や治療薬開発ツールとしての利用が期待されます。

本研究成果は、2019年7月22日(米国東部時間、日本時間:7月23日)に米国科学雑誌Proceeding of the National Academy of Sciencesオンライン版に掲載されます。

本研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業 さきがけ「統合1細胞解析のための革新的技術基盤」(研究総括:浜地 格 京都大学 教授)における「脂質ダイナミクスの精密解析技術の創出」(研究者:多喜 正泰)および文部科学省世界トップレベル研究拠点プログラム 名古屋大学 トランスフォーマティブ生命分子研究所(WPI-ITbM)の支援のもとで行われたものです。

また、本成果の一部は以下の事業による支援を受けて行われました。

 ・文部科学省 科学研究費 新学術領域研究「学術研究支援基盤形成」先端バイオイメージング支援プラットフォーム(ABiS)

 ・科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)「統合1細胞解析のための革新的技術基盤」(研究総括:菅野 純夫 東京医科歯科大学 非常勤講師)における「超解像3次元ライブイメージングによるゲノムDNAの構造、エピゲノム状態、転写因子動態の経時的計測と操作」(研究代表者:岡田 康志)

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0515129_01.pdf

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