細胞分裂における新規熱利用メカニズムの解明

阐明细胞分裂过程中新型热利用机制

• 批准号: 21J14440
• 负责人: 寳田 雅治
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J14440/
• 关键词: 生物物理; 細胞内温度; 蛍光寿命イメージング顕微鏡法; 有糸分裂; 蛍光性ポリマー温度センサー; 温度シグナリング

温度は生体分子の状態や化学反応に影響を与える普遍的な物理量である。本研究では多種の生体分子がダイナミックに化学反応する細胞分裂に着目し、細胞自発的発熱による温度変動が細胞分裂を駆動するという仮説を元にその証明とメカニズムの解明を目標にした。本研究ではまず、分裂中細胞の温度マッピングに向けた細胞内温度測定の高速化を行なった。従来の研究で確立されていた蛍光性ポリマー型温度センサー(FPT)の蛍光寿命を用いた温度測定では単一細胞内の温度マッピングに1分程度の時間を要していたが、蛍光寿命値計算の最適化及び最新鋭の検出器によるphoton検出効率の向上により、これを1秒以内に取得することが可能となった。この手法を用いて有糸分裂中細胞の温度マッピングを行ったところ、有糸分裂中期において形成される紡錘体においてその極と染色体付近に細胞自発的発熱により生じた高温部分が存在していることを発見した。そこで、有糸分裂中にこの発熱を利用する反応を阻害するため、細胞内で局所的な温度上昇を抑制する吸熱ポリマーを開発した。吸熱ポリマーを有糸分裂中の細胞に導入してその過程を観察したところ、分裂中期において染色体分離が阻害されることが明らかとなった。さらに、細胞内で発生した熱が有糸分裂を駆動するメカニズムを明らかにするため、高温を示した紡錘体極と赤道面を赤外レーザーにより局所加熱して紡錘体の形態を観察したところ、極の加熱では両極間距離が長くなる方向に伸張し染色体分離が促進された一方、染色体付近の加熱ではその逆方向への変形が観察された。この結果は細胞自発的発熱により生じた紡錘体極の高温部分が染色体分離を駆動することを示しており、細胞自発的発熱が有糸分裂を駆動するという仮説を証明するものである。本研究は、細胞内の自発的発熱の新しい機能を示すことで、ダイナミックな細胞機能の理解に貢献するだろう。

温度是影响生物分子状态和化学反应的通用物理量。这项研究的重点是细胞分裂，其中各种生物分子与化学反应动态反应，旨在证明并阐明基于细胞自发热驱动细胞分裂引起的温度波动的假设。在这项研究中，我们首先加速了细胞内温度在分裂细胞的温度图中的测量。在使用荧光聚合物型温度传感器（FPT）的荧光寿命（在先前的研究中建立的）中，在单个单元内绘制温度大约需要1分钟的时间，但是通过优化荧光寿命值的计算并提高了使用正式检测器的光子检测效率，可以在单个单元格内绘制大约1分钟的时间。使用这种技术，进行了有丝分裂细胞的温度映射，并发现在中期期间形成的纺锤体中，在其极点和染色体附近产生了细胞自发发烧产生的热部分。因此，为了抑制有丝分裂过程中利用这种热量的反应，我们开发了一种吸热聚合物，可抑制细胞内局部温度的升高。当将吸热聚合物引入有丝分裂细胞并观察到该过程时，发现在中期期间抑制了染色体分离。此外，为了阐明细胞内部产生有丝分裂的热量的机制，我们通过使用红外激光观察纺锤体的形态来局部加热纺锤极和赤道平面，这些机制表现出了高温。当两极加热时，两极之间的距离沿方向延伸，该方向会增加杆子之间的距离长度，从而促进染色体分离，而当加热染色体附近的加热时，观察到相反方向的变形。该结果表明，由细胞自发发烧产生的纺锤极的热部分驱动染色体分离，并证明了细胞自发发烧驱动有丝分裂的假设。这项研究将通过显示细胞内自发热的新功能来有助于理解动态细胞功能。

项目成果

細胞内高速マッピングが細胞内の非伝導性の熱散逸の存在を明らかにする

高速细胞内测绘揭示了细胞内非传导散热的存在

• 发表时间: 2022
• 作者: 寳田雅治;岡部弘基;船津高志
• 通讯作者: 船津高志

細胞内温度分布の追跡が単一細胞内の遅いエネルギー散逸を明らかにする

跟踪细胞内温度分布揭示单细胞内能量耗散缓慢

• 发表时间: 2021
• 作者: 寳田雅治;岡部弘基;船津高志
• 通讯作者: 船津高志

High-speed Intracellular Temperature Mapping Reveals the Existence of Non-Conductive Heat Dissipation within Cells

高速细胞内温度测绘揭示了细胞内非传导散热的存在

• 发表时间: 2022
• 作者: 寳田雅治;岡部弘基;船津高志
• 通讯作者: 船津高志