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A study on the mechanism of RNA granule formation induced by intracellular local temperature change

Shi, Beini 東京大学 DOI:10.15083/0002002514

2021.10.15

概要

【序論】
真核細胞には核および細胞質に多様な RNA 顆粒が観察される。RNA 顆粒は mRNA と RNA 結合タンパク質から構成される膜を持たない凝集体であり、mRNA の局在化、貯蔵、分解などの機能により遺伝子発現を制御している。しかしながら、プロセシングや翻訳といった生化学反応中の mRNA やその結合タンパク質の複合体の組成や状態が変化して、RNA 顆粒化を引き起こすメカニズムは全く不明である。

RNA 顆粒の一例として、ストレス環境の細胞内のストレス顆粒(stress granule, SG)の形成がある。近年 SG は mRNA やタンパク質の高密度な微小構造(コア構造)と、それを取り込む粗な領域(シェル構造)の 2 層からなることが明らかになった。SG の構成因子である RNA 結合タンパク質の多くは自己集合しやすい性質を持ち、液-液相分離による油滴状の顆粒を形成すると提唱された。液-液相分離は温度と圧力などに支配される熱力学現象である。溶液中で SG の構成因子の液-液相分離は低温条件下(25℃以下)で進行しやすい一方、低い培地温度(27℃以下)では細胞が SG を形成できないという結果も示されている。これは一見相反する結果であるが、SG 形成が温度変化と関連していることを示している。更に、RNA 顆粒としては、SG 以外にも線虫生殖腺で観察される生殖顆粒(polar granule, PG)もよく知られている。PG の構成タンパク質の性質は SG と共通しており、液-液相分離により維持される。受精卵の第一分裂後において非対称に PG は形成されるが、PG 含有細胞にミトコンドリアが偏在する。そのため、初期胚の PG は P 側細胞内の熱産生により引き起こされている可能性を考えた。

そこで、本研究では RNA 顆粒形成機構における細胞内温度の貢献の仮説を立て、ストレス環境下の生きた細胞や線虫個体で時空間的な温度変化を調べるとともに、さらに細胞内温度を操作することにより細胞温度変動がどのようにして RNA 顆粒形成と関連しているのかを解明することを目的にした。

【方法と結果】
1. 細胞内局所的温度上昇が SG 形成を開始する
1ー1.SG を形成する際に細胞内温度が上昇する
細胞内温度計測には、温度分布を高感度に可視化できる蛍光性ポリマー温度センサー(fluorescent polymeric thermometer, FPT)を用いた(図1A)。温度が上昇すると FPT の蛍光寿命が延長する(図1B)。これをマイクロインジェクション法により細胞内に導入した後、SG を誘起する酸化ストレス(sodium arsenite)や ER ストレス(thapsigargin)負荷する前後において蛍光寿命測定を行った。その結果、どちらのストレス時も細胞内平均温度が1.4℃上昇した(図1C,酸化ストレスの結果)。これにより、SG形成時に細胞内温度が上昇することが分かった。

1ー2.細胞内温度上昇が緩和されると SG が形成できない
細胞内に高濃度の FPT を注入すると SG 形成が阻害されるという現象を発見した(図2A上)。高濃度の温度感受性のないコントロールポリマーは阻害しないことから(図2A下)、この原因は、温度感受性ポリマー部分が構造変化する際に熱を吸収することにより SG 形成が阻害されたためと考えられた。一方、SG の形成にはコア構造の形成と成長の二段階があることが知られているが、高濃度の温度センサーが SG コア構造の形成段階だけを阻害することを確認した。以上の結果より、細胞内温度上昇が緩和されると SG 形成の初期段階が阻害されると分かった(図2B)。

1ー3.SG 形成は細胞内局所発熱により開始する
細胞内発熱により SG が形成できるかを確認するため、細胞在性発熱剤である carbonyl cyanideptrifluoromethoxyphenylhydrazone(FCCP)を用いて実験を行った。FCCP を加えた時に細胞内温度が上昇したとともに、一過性 SG 形成が観察された(図3A)。次に、SG 形成が局所発熱のみで誘起可能であるか検討した。人工熱源として IR レーザーによる細胞内局所(1 µm2 程度)加熱法を導入した。IR レーザーで細胞質に焦点を当て定量的に加熱したところ、細胞内在性発熱と同じく一過性の SG形成が観察された(図3B)。また、局所加熱による SG 形成は IR レーザーのパワーと照射時間に依存することが分かった(図3 CD)。この結果の注目すべき特徴として、SG 形成が熱源の中心ではなく、周辺部で起こることである(図3 BC, 照射後 0 min)。このことは SG 形成の開始もしくは SG コア構造の形成に対して、細胞内の不均一な温度分布が大事であることを示唆している。さらに、 SG 形成時に必要な温度差を調べるため、異なる培養温度で培養された細胞に対し種々の出力の IR レーザーを照射し、SG 形成を観察した(図3EF)。その結果、細胞内局所温度が 41℃になった際に迅速に一過性 SG が形成することが解明した。これにより、SG 形成は細胞内局所発熱により開始することが分かった。SG 形成に必要な温度変化は古典的な熱ショックと大きく異なることから、局所発熱による細胞応答機構を温度シグナリングと名付けた。

1ー4.ストレス応答経路において局所温度上昇が支配的に SG を誘起する
細胞内温度上昇と既知の生化学シグナル伝達経路の関係についても調べた。SG 形成において eIF2のリン酸化は最上流にあると知られている。温度シグナリングによる SG 形成を誘起もしくは抑制した細胞において eIF2のリン酸化を免疫染色法を用いて検討した。酸化ストレス時に eIF2がリン酸化されるのに対して、局所加熱された細胞において eIF2のリン酸化が起こらなくても SG が形成できた。一方、温度上昇が阻害された細胞内では、eIF2のリン酸化にも関わらず、SG が形成できなかった。このことから、温度シグナリングがより支配的に SG を誘起することが判明した。

1ー5.本研究で提唱した SG 形成モデル(図4)
以上の結果を総合して、SG 形成に関して新たなモデルを提唱した。ストレスにより細胞は発熱する。この発熱箇所において細胞内局所温度が顕著に上昇し、ポリソームの状態変化を誘起し、mRNA が翻訳停止状態になるとともに、ストレス依存的に誘導されるタンパク質と結合して、SG コア構造を形成する。そして、拡散により熱源を離れ細胞質内の低温部位において SG コア構造同士が液-液相分離を介して集合し、成熟 SG を形成する。本モデルは局所発熱や不均一な温度勾配が積極的に利用されていると言う高い新規性が特徴である。

2.線虫個体レベルの温度イメージング
生理現象における温度シグナリングの普遍性を調べるため、線虫の P 顆粒に着目した。P 顆粒は線虫生殖腺に存在する特異的な細胞内構造であり、成熟精子を除く全ての生殖系列細胞に、その発生の全段階を通して観察される。前述のように P 顆粒も細胞内温度の変動に支配され形成するという仮設を立て、これを検討するため線虫生殖腺細胞内温度分布計測法を確立した。

2ー1.線虫生殖腺温度を可視化する方法の確立
線虫体内における蛍光寿命変化を調べるために、超音波で線虫抽出液を作製し、抽出液中の FPT の蛍光寿命を測定した。温度上昇に伴い FPT の蛍光寿命が延長した。蛍光減衰曲線を2 成分指数関数で近似して算出した平均蛍光寿命と温度の関係を、線虫細胞温度計測の検量線として用いた(図5左)。

生殖腺遠位に存在する未分化の生殖細胞は膜構造が不完全であるため、細胞質が腔内質と共有している。FPT を生殖腺遠位に注入することで、生殖細胞の分化や成熟化の過程に伴って、全ての生殖系列細胞に分配された。次に、生殖腺の遠位にマイクロインジェクション法で導入し、イメージングに最適な温度センサーの濃度や、遠位から胚まで分配する時間について検討した。さらに、生殖腺に温度センサーを導入した後で温度を変化させた際の FPT の蛍光寿命の応答を調べたところ、組織レベルでも溶液中と同様に応答した(図5右)。これらの結果から線虫個体レベルの温度イメージング法を確立した。

2ー2.P 顆粒形成過程における各生殖系列細胞の温度分布の可視化
各生殖系列細胞における P 顆粒形成と温度分布の同時イメージング を行うために、温度センサーと蛍光標識したアンチセンスプローブを生殖腺に導入した。胚の P 側、卵母細胞の細胞質及び未分化の生殖細胞の核の周囲に P 顆粒観察できた(図6左)。一方、温度イメージングにおいて、胚の P 側や卵母細胞の核に分布している温度センサーが長い蛍光寿命を示した(図6右)。この結果は P 顆粒の形成が生殖腺における温度不均一分布と関連する可能性が高いことを示している。

【まとめ・展望】
本研究において私はストレス環境下の生細胞内温度イメージングと細胞内局所温度操作により細胞内局所的温度上昇が SG 形成を開始する現象を解明し、局所温度上昇や不均一な温度分布が細胞機能を直接駆動する原動力として機能しうることを初めて示した。これにより、RNA 顆粒形成機構においてこれまで知られてこなかった温度シグナリングという新たな細胞内情報伝達機構を提唱した。また、線虫個体レベルの温度イメージング法を確立し、生殖腺や胚内に RNA 顆粒と関連した不均一な温度分布を発見した。将来、温度シグナリングによる種々の生命現象のメカニズムの解明が期待される。

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