高速三次元計測と局所場光摂動による自在な細胞機能編集技術の開発

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K20379
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 清末 優子 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, チームリーダー (90568403)
• 研究分担者: 和氣 弘明 神戸大学, 医学研究科, 特命教授 (90455220) ; 川崎 善博 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, 上級研究員 (10376642)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 高解像ライブイメージング / 格子光シート顕微鏡 / ベッセルビーム / ホログラフィー

研究実績の概要

本研究課題では、高解像型ライトシート顕微鏡「格子光シート顕微鏡」を構築して高速高精度3D時系列計測を実現し、微小領域を光刺激する技術を導入することにより高い精度での細胞機能解析技術を構築することを目的とした。
格子光シート顕微鏡は、ハワード・ヒューズ医学研究所Betzig研究室からの技術情報によりカスタムモデルを構築し、2019年度から運用を開始した。ここに空間位相変調器で生成したシングルベッセルビームを導入することにより、1ミクロン以下の細さでブリーチングが可能であること、ビームおよびステージをふることで任意の幅でのフリーチングが可能であることを確認した。さらに、空間位相変調器を用いてより複雑な光パターンを生成することも可能である。これらの技術は、ブリーチングのみならず、光活性型蛍光タンパク質の活性化や、オプトジェネティクスツールにも同様に用いることができる。
光活性型蛍光タンパク質を用いた応用実践のために、mEos4を融合したヒストンH2B（mEos4-H2B）ノックインマウスを作製して腸オルガノイドを樹立した。絨毛－陰窩軸構造の突起先端部のみを色変換した後、突起部分を切除し回収、分散した細胞を単離してシングルセル解析を実施し、遺伝子発現解析に成功した。
また共同研究者は、格子光シート顕微鏡に光刺激もしくはホログラフィック光路を導入する技術基盤の確立を目指し、開発してきた2光子ホログラフィック光刺激顕微鏡にCCDカメラを導入した。当該顕微鏡には、光スポット数，スポット位置に関わらず，均質な光刺激を行なうための位相最適化法を搭載してきた。この最適化した刺激光をマルチスポットで生体に作成し、~100個の神経細胞活動計測を100-400Hzで可能となっている。
今後、開発してきた上記技術を融合することにより、より高度な細胞制御技術に発展できると期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] ハワード・ヒューズ医学研究所/マウントサイナイ大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ハワード・ヒューズ医学研究所/マウントサイナイ大学
• [国際共同研究] オーストラリア国立大学(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: オーストラリア国立大学
• [国際共同研究] 台湾 中央研究院(その他の国・地域)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: 台湾 中央研究院
• [雑誌論文] Actin Filaments Couple the Protrusive Tips to the Nucleus through the I‐BAR Domain Protein IRSp53 during the Migration of Cells on 1D Fibers (2023)
  • 著者名/発表者名: Mukherjee Apratim、Ron Jonathan Emanuel、Hu Hooi Ting、Nishimura Tamako、Hanawa‐Suetsugu Kyoko、Behkam Bahareh、Mimori‐Kiyosue Yuko、Gov Nir Shachna、Suetsugu Shiro、Nain Amrinder Singh
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 10 ページ: 2207368～2207368
  • DOI: 10.1002/advs.202207368
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Imaging three-dimensional dynamics of plasma membrane structures using ultrathin plane illumination microscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Mimori-Kiyosue Yuko
  • 雑誌名: Plasma Membrane Shaping, Academic Press 巻: － ページ: 357～374
  • DOI: 10.1016/B978-0-323-89911-6.00004-2
• [雑誌論文] Myelinated axon as a plastic cable regulating brain functions (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugio Shouta、Kato Daisuke、Wake Hiroaki
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 187 ページ: 45～51
  • DOI: 10.1016/j.neures.2022.11.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microglia enable cross-modal plasticity by removing inhibitory synapses (2023)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto Akari、Kawamura Nanami、Tarusawa Etsuko、Takeda Ikuko、Aoyama Yuki、Ohno Nobuhiko、Inoue Mio、Kagamiuchi Mai、Kato Daisuke、Matsumoto Mami、Hasegawa Yoshihiro、Nabekura Junichi、Schaefer Anne、Moorhouse Andrew J.、Yagi Takeshi、Wake Hiroaki
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: － ページ: 112383
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112383
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Theoretical model of membrane protrusions driven by curved active proteins (2023)
  • 著者名/発表者名: Ravid Yoav、Penic Samo、Mimori-Kiyosue Yuko、Suetsugu Shiro、Iglic Ales、Gov Nir S.
  • 雑誌名: Frontiers in Molecular Biosciences 巻: 10 ページ: －
  • DOI: 10.3389/fmolb.2023.1153420
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Microglia states and nomenclature: A field at its crossroads (2022)
  • 著者名/発表者名: Rosa C. Paolicelli, Amanda Sierra,,, Wake Hiroaki, et al
  • 雑誌名: Neuron 巻: 110 ページ: 3458～3483
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2022.10.020
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Piezo1/KLF15/IL-6 axis mediates immobilization-induced muscle atrophy (2022)
  • 著者名/発表者名: Hirata Yu、Nomura Kazuhiro、Kato Daisuke、Tachibana Yoshihisa、Niikura Takahiro、Uchiyama Kana、Hosooka Tetsuya、Fukui Tomoaki、Oe Keisuke、Kuroda Ryosuke、Hara Yuji、Adachi Takahiro、Shibasaki Koji、Wake Hiroaki、Ogawa Wataru
  • 雑誌名: Journal of Clinical Investigation 巻: 132 ページ: 1～13
  • DOI: 10.1172/JCI154611
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Elucidation of the neurological effects of clothianidin exposure at the no-observed-adverse-effect level (NOAEL) using two-photon microscopy in vivo imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: NISHI Misaki、SUGIO Shouta、HIRANO Tetsushi、KATO Daisuke、WAKE Hiroaki、SHODA Asuka、MURATA Midori、IKENAKA Yoshinori、TABUCHI Yoshiaki、MANTANI Youhei、YOKOYAMA Toshifumi、HOSHI Nobuhiko
  • 雑誌名: Journal of Veterinary Medical Science 巻: 84 ページ: 585～592
  • DOI: 10.1292/jvms.22-0013
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lighting up cosmic neuronal networks with transformative in vivo calcium imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: Murayama Masanori、Wake Hiroaki
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 179 ページ: 1～2
  • DOI: 10.1016/j.neures.2022.04.007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Holographic microscope and its biological application (2022)
  • 著者名/発表者名: Quan Xiangyu、Kato Daisuke、Daria Vincent、Matoba Osamu、Wake Hiroaki
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 179 ページ: 57～64
  • DOI: 10.1016/j.neures.2021.10.012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Controlled activation of cortical astrocytes modulates neuropathic pain-like behaviour (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeda Ikuko、Yoshihara Kohei、Cheung Dennis L.、Kobayashi Tomoko、Agetsuma Masakazu、Tsuda Makoto、Eto Kei、Koizumi Schuichi、Wake Hiroaki、Moorhouse Andrew J.、Nabekura Junichi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 4100
  • DOI: 10.1038/s41467-022-31773-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evaluation and Manipulation of Neural Activity using Two-Photon Holographic Microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Kato Daisuke、Quan Xiangyu、Tanisumi Yuta、Guo Zhongtian、Morita Mitsuhiro、Takiguchi Tetsuya、Matoba Osamu、Wake Hiroaki
  • 雑誌名: Journal of Visualized Experiments 巻: 187 ページ: －
  • DOI: 10.3791/64205
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 3D dynamics measurement of microtubules and its 4D analysis (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuko Mimori-Kiyosue
  • 学会等名: EMBO Workshop: Visualizing Biological Data (VIZBI 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 格子光シート顕微鏡が拓くライブイメージングの新たな可能性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清末 優子
  • 学会等名: 日本生理学会第100回記念大会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 格子光シート顕微鏡による細胞制御機構の探求 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清末 優子
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第43回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Lattice light-sheet顕微鏡法の原理とアプリケーション (2023)
  • 著者名/発表者名: 清末 優子
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] APC mutant cells exploit compensatory chromosome alterations to improve proliferative potential (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawasaki Y, Hayashi A, Sakai S, Tokushige N, Sasagawa S, Nakagawa H, Mimori-Kiyosue Y
  • 学会等名: 第81回日本癌学会
• [学会発表] Roles of synaptic mitochondrial regulations for stress susceptibility (2022)
  • 著者名/発表者名: Chisato Numa, Hirotaka Nagai, Midori Nagai, Tomomi Yamashita, Yusuke Kawashima, Nobuhiko Ohno, Yosky Kataoka, Yuko Mimori-Kiyosue, Taro Kato, Tomoyuki Furuyashiki
  • 学会等名: 第95回日本薬理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] Chronic social stress alters synaptic central metabolism for depression (2022)
  • 著者名/発表者名: Hirotaka Nagai, Midori Nagai, Chisato Numa, Tomomi Yamashita, Yusuke Kawashima, Nobuhiko Ohno, Yosky Kataoka, Shuuichi Shimma, Yuko Mimori-Kiyosue, Taro Kato, Tomoyoshi Soga, Tomoyuki Furuyashiki
  • 学会等名: 第95回日本薬理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] 微小管捕捉因子PHLDB1の脂肪蓄積と肥満関連代謝障害における病態生理学的意義 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大熊英之, 清末優子, 吉川欣亮, 大塚稔久, 土屋恭一郎
  • 学会等名: 第42回日本肥満学会
• [学会発表] Emergence of cell chirality from the spatial organization of actin and myosin cytoskeleton (2022)
  • 著者名/発表者名: Tatsuo Shibata, Naoki Yamamoto, Tomoki Ishibashi, Yuko Mimori-Kiyosue, Masatoshi Takeichi, Hiver Sylvain
  • 学会等名: RIKEN BDR Symposium 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 格子光シート顕微鏡が拓く細胞情報計測の新たな可能性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清末 優子
  • 学会等名: 光シート顕微鏡ワークショップ
  • 招待講演