Live imaging of cell-to-cell communication

• Project Area: Resonance Biology for Innovative Bioimaging
• Project/Area Number: 15H05949
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 松田 道行 京都大学, 生命科学研究科, 教授 (10199812)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 隅山 健太 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, ユニットリーダー (00370114) ; 平島 剛志 京都大学, 医学研究科, 講師 (10620198) ; 築地 真也 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40359659) ; 平塚 拓也 京都大学, 医学研究科, 特定講師 (90641639)
• Project Period (FY): 2015-06-29 – 2020-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥194,090,000 (Direct Cost: ¥149,300,000、Indirect Cost: ¥44,790,000); Fiscal Year 2019: ¥37,050,000 (Direct Cost: ¥28,500,000、Indirect Cost: ¥8,550,000); Fiscal Year 2018: ¥37,180,000 (Direct Cost: ¥28,600,000、Indirect Cost: ¥8,580,000); Fiscal Year 2017: ¥37,180,000 (Direct Cost: ¥28,600,000、Indirect Cost: ¥8,580,000); Fiscal Year 2016: ¥37,180,000 (Direct Cost: ¥28,600,000、Indirect Cost: ¥8,580,000); Fiscal Year 2015: ¥45,500,000 (Direct Cost: ¥35,000,000、Indirect Cost: ¥10,500,000)
• Keywords: バイオセンサー / 上皮細胞増殖因子 / FRET / 筋再生 / イメージング / 細胞生物学 / 再生 / 蛍光バイオセンサー / BRET / 生体イメージング / 蛍光イメージング / 発光イメージング / FRETバイオセンサー / 蛍光タンパク質 / 分子プローブ / 蛍光共鳴エネルギー移動 / タンパク質リン酸化酵素

Outline of Annual Research Achievements

筋衛星細胞と炎症細胞のコミュニケーションについて研究を行った。筋衛星細胞に特異的に発現するPax7の下流にCREリコンビナーゼを発現するマウスと、CRE依存性に細胞増殖刺激を司るERK MAPキナーゼのフェルスター共鳴エネルギー移動（FRET）バイオセンサーを発現するトランスジェニックマウスとを交配させ、筋衛星細胞特異的にFRETバイオセンサーを発現するトランスジェニックマウスを開発した。次に、このマウスの横紋筋
に傷害を誘導し、多光子顕微鏡下に観察した。その結果、筋衛星細胞が静止期から細胞増殖期に入り、傷害部位に向けて運動する様子を多光子顕微鏡にて観察することに成功した。さらに、細胞周期特異的センサーFUCCIを発現するマウスも用いて、組織傷害時におけるERK活性、細胞周期、細胞遊走能について検討した。その結果、筋衛星細胞はG2期において運動がもっとも亢進すること、ERKはG1/S移行をCDK2の活性制御を介して促進していることを明らかにした。これらの結果は、細胞増殖を制御するERK MAPキナーゼが細胞周期を制御すると同時に筋衛星細胞の傷害部位への移動をも制御していることを示している。
また、同様のERK活性と細胞運動の関係をマウス胸腺組織においても検討した。意外なことに、胸腺においてはERK活性化が胸腺細胞の運動を抑制することを発見した。画像処理や数理処理を加えERKの活性動態を1細胞レベルで詳しく解析すると、運動抑制様式がT細胞のサブセット間で異なり、特にCD4 T細胞ではERK活性そのものではなく動的変化に応じて運動速度が制御されることを見出した。
以上の結果は、細胞増殖や細胞活性化を司るERK MAPキナーゼと細胞運動の関係は組織や細胞種によって大きく異なり、さまざまなERK-CDK経路の阻害剤の効果も組織によって大きく異なることを示唆するものである。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

マウスを使った実験の一部は、マウスの供給が十分でなかったこともあり、やや遅れた。

Strategy for Future Research Activity

マウスを使った分子活性のライブイメージングは世界的にも極めて少数のグループのみが有する技術であり、今後、この優位性を生かして、試験管内の知見と生体反応とのギャップを埋める研究を続けていく予定である。また、論文は投稿中のものが複数あり、これらを成果として発信していくことが大事である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Helsinki(フィンランド)
• [Journal Article] Two Decades of Genetically Encoded Biosensors Based on Forster Resonance Energy Transfer (2019)
  • Author(s): Terai K., Imanishi A., Li C. J., Matsuda M.
  • Journal Title: Cell Struct. Funct. Volume: 44 Issue: 2 Pages: 153-169
  • DOI: 10.1247/csf.18035
  • NAID: 130007618077
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Live-Cell FRET Imaging Reveals a Role of Extracellular Signal-Regulated Kinase Activity Dynamics in Thymocyte Motility (2018)
  • Author(s): Konishi Y, Terai K, Furuta Y, Kiyonari H, Abe T, Ueda Y, Kinashi T, Hamazaki Y, Takaori-Kondo A, and Matsuda M
  • Journal Title: iScience Volume: 10 Pages: 98-113
  • DOI: 10.1016/j.isci.2018.11.025
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gliding Basal Cell Migration of the Urothelium during Wound Healing (2018)
  • Author(s): Sano T., Kobayashi T., Ogawa O., Matsuda M.
  • Journal Title: The American Journal of Pathology Volume: 188 Pages: 2564-2573
  • DOI: 10.1016/j.ajpath.2018.07.010
  • NAID: 120006534636
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A novel morphological marker for the analysis of molecular activities at the single-cell level (2018)
  • Author(s): Imanishi A., Murata T., Sato M., Hotta K., Imayoshi I., Matsuda M., Terai K.
  • Journal Title: Cell Struct. Funct. Volume: 43 Issue: 2 Pages: 129-140
  • DOI: 10.1247/csf.18013
  • NAID: 130007412861
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic MAPK/ERK Activity Sustains Nephron Progenitors through Niche Regulation and Primes Precursors for Differentiation (2018)
  • Author(s): Ihermann-Hella Anneliis、Hirashima Tsuyoshi、Kupari Jussi、Kurtzeborn Kristen、Li Hao、Kwon Hyuk Nam、Cebrian Cristina、Soofi Abdul、Dapkunas Arvydas、Miinalainen Ilkka、Dressler Gregory R.、Matsuda Michiyuki、Kuure Satu
  • Journal Title: Stem Cell Reports Volume: 11 Pages: 912-928
  • DOI: 10.1016/j.stemcr.2018.08.012
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A platform of BRET-FRET hybrid biosensors for optogenetics, chemical screening, and in vivo imaging (2018)
  • Author(s): Komatsu N., Terai K., Imanishi A., Kamioka Y., Sumiyama K., Jin T., Okada Y., Nagai T., Matsuda M.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Pages: 8984-8984
  • DOI: 10.1038/s41598-018-27174-x
  • NAID: 120006523820
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Composite regulation of ERK activity dynamics underlying tumour-specific traits in the intestine (2018)
  • Author(s): Muta Y., Fujita Y., Sumiyama K., Sakurai A., Taketo M. M., Chiba T., Seno H., Aoki K., Matsuda M., Imajo M.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Pages: 2174-2174
  • DOI: 10.1038/s41467-018-04527-8
  • NAID: 120006488609
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamic ERK signaling regulation in intestinal tumorigenesis (2018)
  • Author(s): Yu Muta, Michiyuki Matsuda, Masamichi Imajo*
  • Journal Title: Molecular & Cellular Oncology Volume: 5 Pages: 1506684-1506684
  • DOI: 10.1080/23723556.2018.1506684
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In Vivo FRET Imaging of Tumor Endothelial Cells Highlights a Role of Low PKA Activity in Vascular Hyperpermeability (2016)
  • Author(s): Yamauchi Fumio、Kamioka Yuji、Yano Tetsuya、Matsuda Michiyuki
  • Journal Title: Cancer Res Volume: 76 Pages: 5266-5276
  • DOI: 10.1158/0008-5472.can-15-3534
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intravital imaging of mouse urothelium reveals activation of extracellular signal-regulated kinase by stretch-induced intravesical release of ATP (2016)
  • Author(s): Sano T, Kobayashi T, Negoro H, Sengiku A, Hiratsuka T, Kamioka Y, Liou LS, Ogawa O, Matsuda M
  • Journal Title: Physiol Rep Volume: 21
  • DOI: 10.14814/phy2.13033
  • NAID: 120005895398
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification of Aging-Associated Gene Expression Signatures That Precede Intestinal Tumorigenesis (2016)
  • Author(s): Okuchi Yoshihisa、Imajo Masamichi、Mizuno Rei、Kamioka Yuji、Miyoshi Hiroyuki、Taketo Makoto Mark、Nagayama Satoshi、Sakai Yoshiharu、Matsuda Michiyuki
  • Journal Title: Plos One Volume: 11
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0162300
  • NAID: 120005842701
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cell Density-Dependent Increase in Tyrosine-Monophosphorylated ERK2 in MDCK Cells Expressing Active Ras or Raf (2016)
  • Author(s): Kawabata Noriyuki、Matsuda Michiyuki
  • Journal Title: Plos One Volume: 11
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0167940
  • NAID: 120005947199
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cancer‐specific mutations in p53 induce the translation of Δ160p53 promoting tumorigenesis (2016)
  • Author(s): Marco M Candeias
  • Journal Title: EMBO Rep Volume: 17(11) Pages: 1542-1551
  • DOI: 10.15252/embr.201541956
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Intercellular propagation of extracellular signal-regulated kinase activation revealed by in vivo imaging of mouse epidermis. (2015)
  • Author(s): Hiratsuka T, Fujita Y, Naoki H, Aoki K, Kamioka Y, Matsuda M
  • Journal Title: eLIFE Volume: - Pages: 1-18
  • DOI: 10.7554/elife.05178
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Intravital imaging reveals gow BRAF inhibition generates drugtolerant microenvironments with high integrin beta1/FAK signaling (2015)
  • Author(s): Hirata E, Girotti MR, Viros A, Hooper S, Spencer-Dene B, Matsuda M,
  • Journal Title: Cancer Cell Volume: 27 Pages: 574-88
  • DOI: 10.1016/j.ccell.2015.03.008
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Heterogeneity in ERK activity as visualized by in vivo FRET imaging of mammary tumor cells developed in MMTV-Neu mice. (2015)
  • Author(s): Yuka Kumagai, Honda Naoki, Eiji Nakasyo, Yuji Kamioka, Etsuko Kiyokawa, Michiyuki Matsuda
  • Journal Title: Oncogene. Volume: (ネット上で先行掲載) Pages: 1051-7
  • DOI: 10.1038/onc.2014.28
  • NAID: 120005625616
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Live-cell FRET imaging reveals a role of ERK activity dynamics in thymocyte motility (2018)
  • Author(s): Yoshinobu Konishi, Kenta Terai, Takaya Abe, Yoko Hamazaki, Akifumi Takaori-Kondo and Michiyuki Matsud
  • Organizer: The 60th American Society of Hematology Annual Meeting and Exhibition
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Timelapse FRET imaging reveals the correlation between the strength of ERK activation in NK cells and the fate of conjugated target cells. (2018)
  • Author(s): Hiroshi Ichise, Kenta Terai, Michiyuki Matsuda
  • Organizer: The 17th Meeting of Society for natural immunity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of four dimensional histology for live imaging (2017)
  • Author(s): Ayako Imanishi; Masaya Sato; Kenta Terai; Kenta Sumiyama; Kazuhiro Hotta; Michiyuki Matsuda
  • Organizer: The 1st ABiS Symposium
• [Presentation] 高感度のAMPK FRETバイオセンサーを用いた生体内AMPK活性の不均一性 (2017)
  • Author(s): Yumi Konagaya; Kenta Terai; Michiyuki Matsuda
  • Organizer: 第4回発生における代謝を考える会
• [Presentation] A highly sensitive FRET biosensor for AMP-activated protein kinase (AMPK) reveals heterogeneous cellular responses in vitro and in vivo. (2017)
  • Author(s): Yumi Konagaya; Kenta Terai; Michiyuki Matsuda
  • Organizer: 第1回ABiSシンポジウム
• [Presentation] Age-related DNA methylation and altered gene expression precede loss of heterozygosity of the Apc gene in ApcΔ716 mice. (2016)
  • Author(s): Yoshihisa Okuchi
  • Organizer: Tenth AACR-JCA Joint Conference on Breakthrough in Cancer Research: From Biology to Therapeutics
  • Place of Presentation: Hyatt Regency Maui（Maui, U.S.A）
  • Year and Date: 2016-02-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In vivo FRET imaging of tumor endothelial cells highlights a role of low PKA activity in vascular hyperpermeability (2016)
  • Author(s): Michiyuki Matsuda
  • Organizer: Lorne Cancer Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] FRETマウスの多光子顕微鏡観察 (2016)
  • Author(s): 松田道行
  • Organizer: 第68回日本細胞生物学会
  • Invited
• [Presentation] 組織細胞間コミュニケーションのライブイメージングに資する細胞形態マーカー発現マウスの作成 (2016)
  • Author(s): 今西彩子、小松直貴、隅山健太、松田道行
  • Organizer: 第68回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] Two-photon-excited fluorescence excitation spectra of red fluorophores and fluorescent proteins. (2016)
  • Author(s): Yoshinobu Konishi; Yuji Kamioka and Michiyuki Matsuda
  • Organizer: 第68回日本細胞生物学会
• [Presentation] Visualization of AMPK activity by fluorescence resonance energy transfer-based biosensor in vivo. (2016)
  • Author(s): Yumi Konagaya; Yusuke Hirao; Masamichi Imajo; Yuji Kamioka; Michiyuki Matsuda
  • Organizer: 日本細胞生物学会
• [Presentation] マウス小腸オルガノイドにおけるシグナル伝達経路の解析 (2016)
  • Author(s): 牟田優; 今城正道; 松田道行
  • Organizer: 第68回日本細胞生物学会
• [Presentation] 新規オルガノイド培養法を用いた肝芽腫発生機構の解析 (2016)
  • Author(s): 今城正道、松田道行
  • Organizer: 第68回細胞生物学会大会
• [Presentation] 二光子顕微鏡による腸管腫瘍発生の可視化は正常腸管細胞の不均一性を明らかにする (2015)
  • Author(s): 奥知慶久
  • Organizer: 第74回日本癌学会学術総会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2015-10-08
• [Presentation] 変異型ras、raf 導入細胞の細胞密集による抑制 (2015)
  • Author(s): 河鰭憲幸
  • Organizer: 第74回日本癌学会学術総会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2015-10-08
• [Remarks] 研究概要
  • URL: http://www.fret.lif.kyoto-u.ac.jp/project.htm