細胞内温度センシングとエネルギー代謝制御機構の解明

2018 年度 実績報告書

• 研究領域: 温度を基軸とした生命現象の統合的理解
• 研究課題/領域番号: 15H05930
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 梅田 眞郷 京都大学, 工学研究科, 教授 (10185069)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• キーワード: 生理学 / 酵素 / 脂質 / 発現制御 / 昆虫

研究実績の概要

様々な動物細胞が環境温の変動に応答してミトコンドリアを始めとするエネルギー代謝機構を代償的に変化させることが知られている。しかし、個々の細胞がどのようにして細胞内の温度を感知し、ミトコンドリアのエネルギー代謝レベルを変化させているのか依然不明である。我々は温度変化の影響を強く受ける生体膜の流動性の調節機構に着目し、この機構に重要な役割を果たす脂肪酸不飽和化酵素が細胞内の温度センシングおよび温度制御に深く関わることを見出し、研究を進めている。
これまでの研究により、1）Δ9脂肪酸不飽和化酵素DESAT1が生体膜の流動性に応じて発現制御を受けること、2）DESAT1の特異的阻害剤や遺伝子欠損によりミトコンドリアが断片化し膜電位が低下することから、DESAT1が細胞内エネルギー代謝制御に重要な役割を果たすこと、3）エネルギー代謝制御を介して、細胞内局所における温度制御に関わることを明らかにした。
本年度、細胞内小器官局在型の蛍光性タンパク質温度センサーtsGFPにより細胞内局所の温度を解析したところ、DESAT1の阻害によりミトコンドリアの温度が顕著に低下することを突き止めた。この原因として、ミトコンドリア内膜構造の崩壊やATP合成酵素の複合体形成の異常がDESAT1の阻害により惹起されることを明らかにした。さらに、DESAT1のミトコンドリア機能の制御が温度適応に関与するかを検証するために、培養細胞を通常の培養温度より10℃低い15℃の低温環境に暴露した。その結果、低温暴露によりミトコンドリアの伸長及び膜電位の上昇がDESAT1依存的に起きることを見出した。以上の結果から、熱産生を行う細胞内小器官であるミトコンドリアの機能を、低温環境に適応するためにDESAT1依存的に亢進させる機構が存在することが強く示唆された。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

細胞内の温度は外環境の温度変化に対して細胞自律的に維持される必要があると想定されるが、そのように細胞内温度が制御される機構は未だ明らかではなかった。本年度の研究により、細胞が低温環境に適応するために脂肪酸不飽和化酵素の発現と活性を制御し、熱産生を行う細胞内小器官であるミトコンドリアの機能を亢進することにより細胞内の温度制御に積極的に関与することが明らかとなった。

今後の研究の推進方策

これまでに得られた知見を踏まえ、1）DESAT1が如何なる分子機構を介し細胞内エネルギー代謝制御を成し遂げ、2）個体の体温調節機構に関与するのかを明らかにする。具体的には、
1）DESAT1の発現抑制により、ミトコンドリア内膜構造の異常、ATP合成酵素の複合体形成異常が惹起されることを見出した。この点に着目してDESAT1が細胞内の主要な熱産生器官であるミトコンドリア機能を制御するメカニズムならびに細胞内温度を維持する分子機構を明らかにする。
2）哺乳動物の肝・脂肪組織に相当する脂肪体で特異的にDESAT1の発現を抑制すると、ショウジョウバエ幼虫の体温調節行動に顕著な変化が観察された。DESAT1発現が脂質・エネルギー代謝さらに脂肪体から分泌される多様なペプチドホルモンの発現・分泌に如何なる影響を及ぼすかを精査し、新たな視点から体温調節の分子機構の解明を試みる。

研究成果

• [雑誌論文] Structure and Function of Δ9-Fatty Acid Desaturase (Review). (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagao, K., Murakami, A., Umeda, M.
  • 雑誌名: Chemical and Pharmaceutical Bulletin 巻: 67 ページ: 327-332
  • DOI: 10.1248/cpb.c18-01001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cell surface flip-flop of phosphatidylserine is critical for PIEZO1-mediated myotube formation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsuchiya, M., Hara, Y., Okuda, M., Itoh, K., Nishioka, R., Shiomi, S., Nagao, K., Mori, M., Mori, Y., Ikenouchi, J., Suzuki, R., Tanaka M., Ohwada, T., Aoki, J., Kanagawa, M., Toda, T., Nagata, Y., Matsuda, M., Takayama, Y., Tominaga, M., Umeda, M.
  • 雑誌名: Nat. Commum. 巻: 9 ページ: 2049
  • DOI: 10.1038/s41467-018-04436-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Organization and deformability of insect cell membrane. (2019)
  • 著者名/発表者名: Masato Umeda
  • 学会等名: The 16th International Membrane Research Forum
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 脂質ダイナミクスの生物機能 (2018)
  • 著者名/発表者名: 梅田眞郷
  • 学会等名: 第13回スフィンゴテラピィ研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Phospholipid flippase acts as a molecular switch for ion channel activation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Masato Umeda
  • 学会等名: Membrane Lipid Transporter Symposium 2018-Flippases, Floppases and Scramblases
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Phospholipid flip-flop as a molecular switch for ion channel activation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Masato Umeda
  • 学会等名: 2nd Japan-Korea Lipid Joint Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Phospholipid flip-flop as a molecular switch for ion channel activation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Masato Umeda
  • 学会等名: The 23rd International Symposium on Plant Lipids
  • 国際学会 / 招待講演