Establishment of real-time measurement technique for ATP concentration and amount in single hematopoietic stem cells

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K19550
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 54:Internal medicine of the bio-information integration and related fields
• Research Institution: National Center for Global Health and Medicine
• Principal Investigator: Takubo Keiyo 国立研究開発法人国立国際医療研究センター, 研究所, 生体恒常性プロジェクト長 (50502788)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Keywords: 造血幹細胞 / 骨髄 / 幹細胞ニッチ / 幹細胞代謝 / 解糖系

Outline of Final Research Achievements

This study established a technique to measure ATP concentrations at the single cell level of hematopoietic stem cells in real time using an ATP biosensor. We then used these technologies to analyze in detail how fluctuations in ATP concentration affect stem cell fate determination and cellular dynamics. We found that when HSCs are exposed to acute stress, the source of ATP production rapidly activates the anaerobic glycolytic system. Specifically, they found that under proliferative stress, arginine methyltransferase PRMT1 methylates PFKFB3, and under mitochondrial stress, AMPK phosphorylates PFKFB3 to activate the glycolytic system.

Free Research Field

血液学・幹細胞生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の学術的意義は、造血幹細胞のATP濃度をリアルタイムで測定する新たな技術を確立し、代謝と幹細胞性の関係を明らかにした点にある。特に、急性ストレスがATP産生経路に与える影響を分子レベルで解明することで、代謝の可塑性が幹細胞の運命決定に果たす役割を示した。社会的意義としては、血液疾患や再生医療の分野において、造血幹細胞の代謝制御が新たな治療法の開発につながる可能性を示唆している。また、本研究で確立された技術は、他の細胞種の代謝研究にも応用可能であり、広範な生物医学研究の基盤技術として社会に貢献することが見込まれる。