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。在本研究中，我们关注细胞分裂，细胞分裂涉及各种生物分子之间的动态化学反应，旨在基于细胞自发产热引起的温度波动驱动细胞分裂的假设来证明这一假设并阐明其机制。在这项研究中，我们首先尝试加速细胞内温度测量，以绘制分裂细胞的温度图。之前的研究中建立的荧光聚合物温度传感器（FPT）利用荧光寿命进行温度测量，大约需要1分钟才能绘制出单个细胞内的温度，但荧光寿命值计算优化了光子检测并提高了光子检测效率使用最先进的探测器可以在一秒钟内获得这一结果。利用这种方法绘制有丝分裂细胞的温度图，我们发现在有丝分裂中期形成的纺锤体中，在两极和染色体附近存在由细胞自发发热引起的高温区域。因此，为了抑制有丝分裂期间利用热量产生的反应，我们开发了一种吸热聚合物，可以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该过程时，发现中期染色体分离受到抑制。此外，为了阐明细胞内产生的热量驱动有丝分裂的机制，使用红外激光对表现出高温的纺锤体极点和赤道面进行局部加热，并观察到纺锤体极点加热增加的形态。两极之间的距离促进了染色体分离，而染色体附近的加热则导致相反方向的变形。这一结果表明细胞自发产热产生的纺锤体极的高温部分驱动染色体分离，证明了细胞自发产热驱动有丝分裂的假说。这项研究将通过展示细胞内自发发热的新功能，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