名大,ミトコンドリア内膜の特性を蛍光寿命で解析

名古屋大学の研究グループは,高い耐光性と優れた環境応答性を兼ね備えた,ミトコンドリア内膜で特異的な蛍光を発する標識剤を開発し,内膜特性の違いを蛍光寿命の違いとして観察する新たな技術を開発した(ニュースリリース)。

細胞には数万種類を超える脂質が存在し,主な脂質成分は生体膜の構成要素として利用されている。脂質組成の違いが細胞間や細胞小器官(オルガネラ)間での相互作用や,タンパク質の機能制御と深く関連していることが知られている。

一般的に脂質構造の多様性を理解するには質量分析による解析が有用だが,質量分析では試料が破損してしまうために生きた細胞内における膜動態を観察できない。

一方,蛍光イメージングは生きた細胞内のオルガネラ動態の観察に適した技術だが,脂質は既に手法が確立しているタンパク質とは異なり遺伝子工学によって直接蛍光標識することができない。そのため,脂質組成によって変化するオルガネラ膜の特性を蛍光イメージングによって評価することは困難だった。

研究グループはこれまでに,リンと炭素原子によって構造が強化された蛍光色素骨格が顕微鏡の光を当てても褪色しない高い耐光性(超耐光性)を持つことを発見している。

そこで研究グループは,超耐光性と色素近傍の極性環境に応じて蛍光特性が変化する環境応答性を兼ね備えた色素骨格bis-P=Oを開発し,適切な官能基修飾を施した環境応答型ミトコンドリア内膜標識剤「MitoPB Red」を開発した。

ミトコンドリア内膜はひだ状の折りたたみ構造を形成しており,特有の脂質特性を有していることが知られている。MitoPB Redを用いて細胞を標識し,蛍光寿命顕微鏡(FILM)で観察したところ,ミトコンドリア内膜に流動性が高い領域と低い領域を発見した。

ミトコンドリア内膜の特性は,細胞種や培養条件によっても異なり,特に細胞をストレス下で培養すると,膜の流動性は著しく低下することを生細胞中での観察に成功した。

また,ミトコンドリアを強いレーザー光で照射し続けると,ミトコンドリア膜が光損傷を受け,膨潤する。この様子をFLIMで観察したところ,膨潤したミトコンドリア膜は流動性が著しく低下していることが分かった。

この結果は,膨潤後のミトコンドリア内膜の構成成分に飽和脂肪酸が豊富に含まれる可能性を示唆するもの。また,ミトコンドリア膜の光損傷は均一に起こるのではなく,膜の一部が損傷を受けると,膜特性の変化が単一ミトコンドリア全体に広がることを初めて可視化することに成功した。

研究グループは,生命活動における脂質の機能や役割の解明にも繋がる成果だとしている。

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