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不良ミトコンドリアを色で見つけるセンサーを開発

国立大学法人千葉大学
-パーキンソン病のメカニズム解明に期待-

 千葉大学大学院理学研究院 板倉英祐准教授らの研究グループは、パーキンソン病(注1)や癌の一因とされている不良ミトコンドリアを蛍光タンパク質によって可視化する「不良ミトコンドリアセンサー “Mito-Pain”」を開発しました(図1)。  Mito-Painを用いた解析と、ミトコンドリアにダメージを与えうる化合物のスクリーニングとを組み合わせることで、パーキンソン病の原因遺伝子のはたらきについて、これまで知られていた機能の他に、ミトコンドリアストレスの種類に応じて違うはたらき方をすることが明らかになりました。  この研究成果は、米国科学雑誌Journal of Biological Chemistryに10月4日(米国東部時間)に発表されました。



研究の背景

 人の体は細胞の集合体です。細胞内の細胞小器官のひとつであるミトコンドリアは、糖分や脂質からエネルギーを産生する重要な役割を担います。一方でミトコンドリアは活性酸素などのストレスによりダメージを受けやすく、ダメージにより不良ミトコンドリアとなるとその蓄積が細胞に悪影響を与え、パーキンソン病神経疾患や癌の発生など多くの疾患の原因となります。そのため、どのようなときに不良ミトコンドリアが生じるのかを調べることは重要ですが、これまでは特定のストレスしか検出できない限定的な方法しかありませんでした。





研究内容詳細



 PINK1遺伝子(注2)はパーキンソン病の原因遺伝子の一つとして知られています。これまでの研究から、PINK1タンパク質は健康な細胞では速やかに分解される一方で、不良ミトコンドリア外膜上では安定化して留まることが知られています。この性質を利用し、PINK1を不良ミトコンドリアのマーカーとして活用するため、PINK1とGFP(緑色蛍光タンパク質)、T2A(自切配列)、RFP(赤色蛍光タンパク質)、Omp25(ミトコンドリア外膜タンパク質)からなるMito-Pain(DNAベクター(注3))を作製しました(図2A)。
 Mito-Painを細胞に導入すると、1つのmRNAからPINK1-GFPとRFP-Omp25タンパク質が等量ずつ産生されます。RFP-Omp25はすべてのミトコンドリア膜上に局在します。一方でPINK1-GFPは不良ミトコンドリアの膜上のみに安定して局在します(図2B)。つまり健康なミトコンドリアはRFPのみ、不良ミトコンドリアはRFPとGFP両方を保持するため、黄色(赤と緑の混合色)の比率増加を不良ミトコンドリアの増加の指標として定量解析可能になりました。また、蛍光顕微鏡観察を用いて、細胞内の一部の不良ミトコンドリアのみを観察することで、局所的なミトコンドリアストレスの解析も可能です。

 ミトコンドリアがストレスを受け不良ミトコンドリアとなると、PINK1と、この他にパーキンソン病の原因遺伝子産物として知られているParkinタンパク質が一緒にはたらき、オートファジーを介して不良ミトコンドリアを分解除去(マイトファジー)することが分かっています。Mito-Painによってミトコンドリアストレスを生じる種々の化合物について調べてみたところ、化合物の種類によってはPINK1だけでミトコンドリアストレスに応答する場合があることがわかり、PINK1はマイトファジーだけでなく、単独でミトコンドリア修復にはたらく機能をもつことが示唆されました。

研究者のコメント(千葉大学大学院理学研究院 板倉英祐准教授)

 ミトコンドリアストレスを起因としてパーキンソン病神経疾患や癌、老化などが生じると考えられています。Mito-Painを利用してミトコンドリアストレスの詳細を解析することで、様々な疾患の発症要因の解明が進むと期待しています。


用語解説

(注1)パーキンソン病:世界で約1千万以上が罹患している最も一般的な神経変性疾患のひとつ。ドーパミン神経細胞の脱落によって生じ、ドーパミン神経細胞の脱落には主にミトコンドリア障害が関連すると考えられているが、その治療法は確立されていない。
(注2)PINK1遺伝子:パーキンソン病の原因遺伝子の一つ。遺伝子産物であるPINK1タンパク質は不良ミトコンドリア膜上で安定化すると、Parkinタンパク質にはたらきかけ、不良ミトコンドリアを分解除去するマイトファジーを誘導する。
(注3)DNAベクター:細胞に外来遺伝子を発現させるためのDNAからなる供与体。本研究ではMito-Pain DNA配列とそのタンパク質発現に必要なDNA領域をコードしたDNA。


論文情報

・掲載誌名:Journal of Biological Chemistry
・論文タイトル:Labeling and Measuring Stressed Mitochondria Using a PINK1-Based Ratiometric Fluorescent Sensor
・著者:Rie Uesugi, Shunsuke Ishii, Akira Matsuura, Eisuke Itakura
・DOI:https://doi.org/10.1016/j.jbc.2021.101279
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