深層学習を用いた細胞内微細構造解析によるエネルギー産生調整機構の解明

利用深度学习分析细胞内微观结构阐明能量产生调节机制

基本信息

批准号：
22KJ1157
负责人：
菅翔吾
金额：
$ 1.6万
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：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

細胞内でミトコンドリアは限られた体積の中で効率よくエネルギーを産生するために、クリステ構造と呼ばれる複雑な内膜構造を持つ。しかし、その微細かつ複雑な構造ゆえに、クリステの3次元構造を効率的に解析する手法はなかった。本研究では、独自に構築した深層学習による画像解析ワークフローを用いることで、培養細胞の3次元電顕画像から多数のミトコンドリアおよびクリステ構造の3次元再構築を非常に高効率で行い、さらに、クリステ構造とミトコンドリア内膜の結合部であるクリステジャンクションを抽出し3次元再構築することに世界で初めて成功した。また、深層学習によるハイスループット解析法を、ミトコンドリア近傍の小胞体を抽出できるように拡張し、ミトコンドリア-小胞体接触部位の3次元再構築にも成功した。また、同様の解析をミトコンドリア内膜局在タンパク質OPA1欠損細胞でも行い、OPA1欠損細胞ではミトコンドリア体積が減少し、ミトコンドリア単位面積におけるクリステの量は変わらないものの、クリステ構造が多様な形態をとることが明らかになった。この成果は、クリステ構造の多様性をミトコンドリア内膜タンパク質が制御していることを示唆しており、クリステ構造制御メカニズムの解明につながるものである。

线粒体具有复杂的内膜结构，称为嵴结构，以便在有限的体积内有效地产生能量。然而，由于嵴结构精细复杂，目前还没有有效分析嵴三维结构的方法。在这项研究中，通过使用我们开发的基于深度学习的图像分析工作流程，我们从培养细胞的3D电子显微镜图像中对大量线粒体和嵴结构进行了高效的3D重建，并且是世界上首次成功提取并三维重建嵴连接处，即结构与线粒体内膜之间的连接处。此外，他们扩展了利用深度学习提取线粒体附近内质网的高通量分析方法，并成功地对线粒体-内质网接触位点进行了三维重建。对缺乏 OPA1（一种线粒体内膜定位蛋白）的细胞也进行了类似的分析。在 OPA1 缺陷的细胞中，线粒体体积减小，尽管每线粒体单位面积的嵴数量没有变化，但嵴结构呈现出各种形式。事情变得很清楚了。这一结果表明线粒体内膜蛋白控制嵴结构的多样性，并将有助于阐明控制嵴结构的机制。