細胞内温度を制御する分子群の網羅的同定と機能解析

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K21388
• 研究機関: 同志社大学
• 研究代表者: 梅田 眞郷 同志社大学, 研究開発推進機構, 嘱託研究員 (10185069)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2023-03-31
• キーワード: 細胞内温度 / 脂肪酸不飽和化酵素 / 脂質 / ミトコンドリア / ショウジョウバエ / 酸化的リン酸化 / ATP合成酵素

研究実績の概要

温度は、分子の存在状態や反応性を規定する最も重要な物理量であり、生化学反応を始めとする全ての生命活動が温度により強く影響を受ける。これまで、個々の培養細胞内の温度は、早い熱拡散により細胞外溶液と熱平衡にあり、細胞が自律的に細胞内温度を制御するとは考えられていなかった。しかし、申請者らは、ショウジョウバエ細胞が細胞内温度を感知し、自律的に細胞内温度を制御する未知の機構を有することを見出し、その制御に関わる分子群の同定と機能解析を進めている。
脂肪酸不飽和化酵素は、環境温の変動に敏感に応答して発現が変化し、脂質分子の脂肪酸鎖に二重結合を挿入することにより細胞膜の流動性を一定に保つ恒流動性適応において中心的な役割を担うと考えられていた酵素である。昨年度、ショウジョウバエ細胞に発現するΔ9脂肪酸不飽和化酵素であるDESAT1が細胞内温度制御においても重要な役割を果たすことを見出し、その作用メカニズムについて詳細な解析を行った。
本年度、DESAT1による細胞内温度上昇が酸化的リン酸化に依存していることを突き止めた。生化学的分画実験及び共焦点顕微鏡観察から，DESAT1 はミトコンドリアに近接した小胞体膜に局在することでミトコンドリアリン脂質の脂肪酸組成に強く影響を与えていることが示唆された。そこで、DESAT1 の阻害がミトコンドリア呼吸鎖による熱産生に与える影響をフラックスアナライザーを用いて詳細に解析した結果、DESAT1 はATP 合成酵素複合体の形成に重要なミトコンドリアクリステ構造の形成を促進することにより，ATP 合成と共役したミトコンドリア呼吸鎖の活性（酸化的リン酸化）を向上させることを明らかにした。

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

脂肪酸不飽和化酵素がミトコンドリア 呼吸鎖のATP合成酵素複合体の形成に関わることにより細胞内温度を制御することを明らかにすることが出来た。

今後の研究の推進方策

実際に細胞が低温環境にさらされた場合に、脂肪酸不飽和化酵素に依存したミトコンドリア呼吸鎖の活性上昇が観察されるのか否か、本研究の生理的意義を明らかにする。

次年度使用額が生じた理由

コロナ感染症拡大のため出張および共同研究がキャンセルとなり、旅費・物品費に関する支出がなかった。次年度は、コロナ感染症も収まることが予想されるため、共同研究を再開後に使用する計画である。

研究成果

• [雑誌論文] Cell-autonomous control of intracellular temperature by unsaturation of phospholipid acyl chains (2022)
  • 著者名/発表者名: Murakami A, Nagao K, Sakaguchi R, Kida K, Hara Y, Mori Y, Okabe K, Harada Y, Umeda M.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 38 ページ: 110487
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.110487
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Temperature sensitivity of Notch signaling underlies species-specific developmental plasticity and robustness in amniote brains (2022)
  • 著者名/発表者名: Nomura T, Nagao K, Shirai R, Gotoh H, Umeda M, Ono K.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 96
  • DOI: 10.1038/s41467-021-27707-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] リン脂質輸送による細胞の変形能制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 塩見晃史, 長尾耕治郎, 梅田眞郷
  • 雑誌名: 生化学 巻: 94 ページ: 108-111
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2022.940108
• [雑誌論文] Extreme deformability of insect cell membranes is governed by phospholipid scrambling (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiomi A, Nagao K, Yokota N, Tsuchiya M, Kato U, Juni N, Hara Y, Mori MX, Mori Y, Ui-Tei K, Murate M, Kobayashi T, Nishino Y, Miyazawa A, Yamamoto A, Suzuki R, Kaufmann S, Tanaka M, Tatsumi K, Nakabe K, Shintaku H, Yesylevsky S, Bogdanov M, Umeda M.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 35 ページ: 109219
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109219
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] リン脂質スクランブラーゼにより昆虫細胞は高い変形能を獲得する (2021)
  • 著者名/発表者名: 塩見晃史, 長尾耕治郎, 梅田眞郷
  • 雑誌名: 実験医学 巻: 39 ページ: 2928-2931
• [学会発表] 動物におけるエネルギー代謝と熱産生の制御機構に関する研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 梅田眞郷
  • 学会等名: 第58回日本伝熱シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 生物の知、人間の知：Human Bumblebee (2021)
  • 著者名/発表者名: 梅田眞郷
  • 学会等名: 京都技術士会講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 骨格筋再生における膜張力感知機構の役割 (2021)
  • 著者名/発表者名: 原雄二、平野航太郎、森泰生、梅田眞郷
  • 学会等名: 第73回日本細胞生物学会大会
  • 招待講演