Cell plasticity using spatiotemporal oscillation of intracellular ion environment

• Project/Area Number: 16K01351
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: ASANO Toshifumi 東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 助教 (30552476)
• Research Collaborator: AOKI yuka ; MIYAMOTO takanori
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2018: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2017: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2016: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 筋分化 / 小胞体カルシウム / 光遺伝学 / 細胞分化 / 神経筋接合部 / 細胞内イオン / 遺伝子発現 / 細胞工学 / 細胞・組織 / 分化・発生

Outline of Final Research Achievements

We examined the role of intracellular ion dynamics for cell functions. To manipulate the Ca2+ release from the intracellular stores under high spatiotemporal precision, we developed a novel optogenetics tool specifically targeted to endoplasmic reticulum. This organelle photoswitch effectively manipulated Ca2+ release from the endoplasmic reticulum lumen to the cytosol by light. Our results suggested that the optical induction of intracellular ion dynamics regulating the cell activity promoted differentiation of skeletal muscle cells.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

細胞内にカルシウムを貯蔵する小胞体は分泌や代謝、筋収縮、神経の信号伝達など様々な組織、細胞において重要な働きを持っている。しかし、小胞体におけるカルシウムイオンの放出と充填を担う分子は同定されているものの、その制御機構については不明な点が多い。我々が開発した小胞体光スイッチは細胞内のカルシウムイオンを正確に制御することができる手段である。細胞の増殖、分化機構を明らかにすることは発生や再生の生命起源を理解する上で重要であり、新たな細胞制御技術や創薬の基盤技術の構築に寄与するものと期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Optogenetic manipulation of intracellular calcium by BACCS promotes differentiation of MC3T3-E1 cells (2018)
  • Author(s): Sato Moe、Asano Toshifumi、Hosomichi Jun、Ono Takashi、Nakata Takao
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 506 Issue: 3 Pages: 716-722
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2018.10.107
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Organelle Optogenetics: Direct Manipulation of Intracellular Ca2+ Dynamics by Light (2018)
  • Author(s): Toshifumi Asano、Hiroyuki Igarashi、Toru Ishizuka、Hiromu Yawo
  • Journal Title: Frontiers in Neuroscience Volume: 12 Pages: 561-561
  • DOI: 10.3389/fnins.2018.00561
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Myogenic Maturation by Optical-Training in Cultured Skeletal Muscle Cells (2017)
  • Author(s): Asano Toshifumi、Ishizuka Toru、Yawo Hiromu
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: － Pages: 135-145
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-7283-8_10
  • ISBN: 9781493972821, 9781493972838
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Myogenic maturation by optical-training in cultured skeletal muscle cells (2017)
  • Author(s): T. Asano, T. Ishizuka and H. Yawo
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: 印刷中
  • Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 光遺伝学ツールBACCSを用いた骨芽細胞分化メカニズムの制御 (2019)
  • Author(s): 佐藤萌，浅野豪文，細道純，小野卓史，中田隆夫
  • Organizer: 第124 回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] 細胞活動依存的な神経筋接合部形成の検討 (2019)
  • Author(s): 宮本孝則，浅野 豪文，中田 隆夫
  • Organizer: 第124 回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] 光遺伝学を用いた骨芽細胞分化メカニズムの解明と制御 (2018)
  • Author(s): 佐藤 萌，浅野 豪文，細道 純，石田 雄之，臼見 莉沙，清水 康広，金香 佐和，中田 隆夫，小野 卓史
  • Organizer: 第77回日本矯正歯科学会学術大会
• [Presentation] 神経筋接合部形成における神経細胞活動依存性の検討 (2018)
  • Author(s): 青木 結香，浅野 豪文，中田 隆夫
  • Organizer: 第123回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [Presentation] 神経筋接合部形成における神経細胞活動依存性の検討 (2018)
  • Author(s): 青木 結香，浅野 豪文，中田 隆夫
  • Organizer: 第123回日本解剖学会総会・学術集会
• [Presentation] 細胞活動の動的光制御による筋分化調節 (2017)
  • Author(s): 浅野豪文、中田隆夫
  • Organizer: 第16回日本再生医療学会総会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2017-03-07
• [Presentation] 筋細胞分化の活動依存的な調節機構 (2017)
  • Author(s): 浅野豪文，中田隆夫
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会（ConBio2017）