倉田奨励金研究報告書 第 52 集
2021 年度（第 53 回）助成

自然科学・工学－健康・医療：1 年助成

奨励金№1511

生理学と数理科学の融合によるドパミン神経細胞死の分子オーケストレーションの解明
竹内綾子

福井大学学術研究院医学系部門医学領域

形態機能医科学講座

統合生理学分野

准教授

Decoding molecular orchestration of dopaminergic
neuronal cell death by a combination of physiologicalexperiments and computational modelling
Ayako Takeuchi,
Department of Integrative and Systems Physiology, Faculty of Medical Sciences,
University of Fukui, Associate Professor

我々は、脳で特徴的に機能する未同定のミトコンドリア Ca2＋輸送体が存在することを発見し、これがミトコン
ドリア Ca2＋過負荷および神経細胞死に寄与する可能性を見出した。本研究では、生理学実験と数理モデル解析の融合により、新規ミトコンドリア Ca2＋輸送体の生物物理学的特性を明らかにするとともに、この輸送体を中心とした分子オーケストレーションがドパミン神経細胞死をひきおこすメカニズムの全容解明を目指した。
We found a novel and unidentified Ca2＋ influx pathway of mouse brain mitochondria, which was distinct from
Ca2＋ transport systems of cardiac mitochondria. That may contribute to mitochondrial Ca2＋ overload orneurodegeneration under the pathological conditions. In the present study, we revealed unique biophysicalproperties of the novel mitochondrial Ca2＋ transporter. In addition, we constructed a mathematical model of
dopaminergic neuron which simultaneously calculates firing, cytosolic Ca2＋ dynamics, and mitochondrial functions.
The final goal of this study is to clarify the mechanisms underlying neurodegenerative disease and the contributionof this novel transporter to it.

1．研究内容Calcium, 2021）。また、この新しいミトコンドリ

1.1 目的ア Ca2＋輸送体が、特にミトコンドリア脱分極時なミトコンドリア Ca2＋はダイナミックに変動し、2＋どミトコンドリア機能が傷害された場合において、エネルギー代謝、細胞内 Ca シグナル、細胞死なミトコンドリアへの Ca2＋流入を担うことを見出し

ど種々な細胞機能を制御する。心筋と脳はいずれた。ミトコンドリア Ca2＋過負荷は神経細胞死を惹も興奮性組織であるが、膜興奮・Ca2＋動態の様式き起こす。従って、この新しいミトコンドリアやエネルギー要求性などその性質が大きく異なる。

Ca2＋輸送体は、パーキンソン病など様々な神経変研究代表者は、ミトコンドリア Ca2＋動態が細胞の性疾患の発症に関与すると示唆される。本研究で性質の違いに対応して最適化されるとの仮説のもは、脳で特徴的に機能する新規ミトコンドリアと、脳で特徴的に機能する未同定のミトコンドリ

Ca2＋輸送体を中心とした分子オーケストレーショ

ア Ca2＋ 輸送体の存在を発見した（Islam et al., J

ンと、これによってドパミン神経細胞死を惹き起

Physiol Sci, 2020; Takeuchi and Matsuoka, Cell

こすメカニズムの解明を目指し、生理学実験と数倉田奨励金研究報告書 第 52 集
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トコンドリアで認められた Na＋依存性 Ca2＋取り理モデル解析を融合した以下の検討を行った。

込み活性が認められなかった。そこで、ミトコン
1.2 結果ドリア障害のモデル細胞として汎用されるマウス

1.2.1 マウス組織から単離したミトコンドリアに海馬由来細胞株 HT-22 を用いて同様の検討を行っおける新規ミトコンドリア Ca2＋輸送体の生たが、Na＋依存性 Ca2＋取り込み活性は認められな物物理学的特性かった。今後、新規輸送体の候補分子をこれらのマウス脳および心筋から単離したミトコンドリア2＋培養細胞に過剰発現させ、マウス脳ミトコンドリに Ca 感受性蛍光色素 Fluo-8, AM を負荷し、マルアの Ca2＋輸送特性との比較解析を進める予定であ

チモードプレートリーダー（EnSpire, PerkinElmer）る。さらに、神経細胞の過剰な発火など、ミトコ2＋を用いてミトコンドリア内 Ca を直接測定するこ

ンドリア機能・細胞機能の破綻を招く種々の条件とで、ミトコンドリア Ca2＋動態を評価した。生理における新規ミトコンドリア Ca2＋輸送体分子の役的条件では、Ca2＋はミトコンドリアの深い膜電位割を明らかにしていく。

を利用して、Ca2＋ユニポータ MCU を介してミトコ ン ド リ ア 内 に 流 入 す る。antimycin A お よ び

1.2.3 包括的神経細胞数理モデルの構築

oligomycin の添加によりミトコンドリアを脱分極超解像イメージング解析により得た心筋ミトさせた条件では、脳および心筋いずれにおいてもコンドリア Ca2＋ 輸送体群の分子局在データをもミトコンドリアへの Ca2＋流入はほぼ消失した。しとに、ミトコンドリアを中心としたオルガネラ＋

かし脳から単離したミトコンドリアでは、Na イネットワーク数理モデルを構築し、ミトコンドオノフォア monensin を用いてあらかじめミトコ

リア Ca2＋ 動態−細胞機能連関を明らかにした

ンドリア内に Na＋を負荷すると、Ca2＋添加により（Takeuchi and Matsuoka, Int J Mol Sci, 2022）。

ミトコンドリア内 Ca2＋は速やかに増大した。このOster らによる簡易神経細胞数理モデル（Oster et＋2＋2＋輸al., Frontiers in Computational Neuroscience, 2015）

送体の阻害剤（CGP-37157、ruthenium red など）を研究代表者の数理モデルプラットフォーム上でNa 依存性 Ca

取り込み活性は、既存の Ca＋の影響を受けなかったが、K free 条件でほぼ消再構築し、バースト状の過剰な発火やそれに伴う失した。一方、心筋から単離したミトコンドリアCa2＋過負荷を計算した。現在、オルガネラネット

では、Na＋依存性 Ca2＋取り込み活性はほとんど認ワーク要素の実装を進めている。今後、神経細胞められなかった。以上の結果から、脳ではたらくに特異的なミトコンドリア Ca2＋輸送システムが、新規ミトコンドリア Ca2＋ 輸送体は、Na＋ および神経細胞の過剰な興奮や Ca2＋過負荷時にどのようK＋依存性であることが明らかとなった。現在、こに寄与するか、シミュレーション解析を進める。の性質をもとに、新規輸送体の候補分子の同定を進めている。

1.3 今後の展開本研究では、脳で特異的にはたらく新規ミトコ

1.2.2 培養神経細胞から単離したミトコンドリア

ンドリア Ca2＋輸送体の生物物理学的特性を明らかにおけるミトコンドリア Ca2＋輸送特性にするとともに、ミトコンドリアを中心としたオヒト由来ドパミン神経細胞株である SH-SY5Y かルガネラネットワーク数理モデルを構築した。今らミトコンドリアを単離し、マルチモードプレー後、包括的神経細胞数理モデルを完成させ、種々トリーダーを用いて Ca2＋ 動態を測定した。しかの障害を模したシミュレーション解析を進めるこ

し、SH-SY5Y 細胞では、マウス脳から単離したミとで、神経細胞機能を傷害から保護する方法や神倉田奨励金研究報告書 第 52 集
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経細胞機能を効率的に活性化する手法の開発、パーキンソン病の新たな治療法開発などにつながると期待される。

2．発表（研究成果の発表）
学会発表（1）竹内綾子．新規 Cl- チャネル TMC4 の味細胞
活動電位における役割に関する数理モデル解
析．日本農芸化学会

2022 年度大会（京都市（オンライン）、2022 年 3 月）（2）竹内綾子、松岡達．心筋細胞におけるミトコ
ンドリア Na＋-Ca2＋交換輸送体 NCLX と筋小胞体 Ca2＋ポンプ SERCA の構造的連関とその生理的役割．生理研研究会（松本市、2022 年 10月）
（3）TakeuchiA,MatsuokaS.

Distinctcharacteristics of mitochondrial Ca2＋ dynamics
in mouse heart and brain. 第 100 回日本生理学会大会（京都市、2023 年 3 月）