研究室リレー紹介 統合生理学清水啓史 竹田有加里 竹内 綾子
水野 敬子 Mohammed M Islam 松岡達

数理解析

私たちの研究室では、主にミトコンドリア、特にミトコンドリアCa2+輸送体NCLXが、種々の細胞で果たす役割について研究をしています。分子・細胞・臓器・生体レベルの生理学実験を行うとともに、細胞を構成するひとつひとつの要素について数理モ
実験
デルを構築し数理モデル解析を行い、実験と数理解析を統合した「システム生理学（Physiome）」を行っています。心筋細胞の代謝－興奮－収縮連関やシグナル伝達、心臓ペースメーカー細胞の自動能、リンパ球細胞の免疫応答についてこれまで研究をしてきました。

考察

Ⅰ. ミトコンドリアCa2+輸送体NCLXの生理的役割に関する研究

500 ms10001000500

50000Ca2+i (nM)

NCLXノックダウン
NCLX
1.0siRNA8 m8 m

1.00.50.50.0051001551015Time (min)0.0200300

2+クロストークの役割の例 A.
200300150
NCLXを介したミトコンドリア－小胞体Ca
200150100200
NCLXをノックダウンすると心筋細胞の拍動リズムが遅くなる。B.
NCLXをノッ
100100502+応答が消失する。
100
クアウトするとBリンパ球の抗原受容体刺激に対するCa
50005
カルシウムF/F04800*

12008060*12090604040202003LCR0control
siRNA2control siRNA90605603030010 mm

1B 6 Vehicle control
★

★

★

★

★

★

★

★

★

★

4330NCLX siRNA
22NCLX siRNA★

★

収縮周期長 (秒)6 心臓自働能を司る洞房結節細胞では、局所的筋小胞体Ca2+放出 (LCR)にミトコンドリアが関与することを明らかにしました。
 LCRはミトコンドリア近傍で多く発生します。
 NCLXの阻害薬はLCRを抑制し、拍動リズムを遅くします。

500 ms0.0siRNANCLX8 mm

A0.50.0116Cnt CGP

0.2 sec

6ミトコンドリア

F/F0410320LCR events

55★

Time (sec)Time (sec)

★

★

3322
★

111

★

★

4

LCR振幅 (F/F0)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.01.1
0.11.20.21.30.31.40.41.50.51.60.61.70.71.80.81.90.92.01.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
CGP8 mm

Ⅱ. 洞房結節細胞機能とミトコンドリア

Anti-IgM

1500

1.00.5F/F0F/F0

ミトコンドリア

Anti-IgM

1500

F/F0F/F0Na+

control
1.0 siRNANCLXノックアウト
NCLX+/-CaD80
CaD80(ms)(ms)

NCLX

WT
コントロールT1/2 T(ms)
1/2 (ms)

Ca2+

コントロールcontrol siRNA

TimeTime
to peak
to peak(ms)(ms) CaD50
CaD50(ms)(ms)

SERCA

 NCLXは、ミトコンドリアから細胞質にCa2+を汲みだす働きをしています。
 さらに、NCLXは隣接する小胞体のCa2+ポンプSERCAにCa2+を供給し、小胞体Ca2+ダイナミクスを制御することを明らかにしました。
＝ミトコンドリア－小胞体Ca2+クロストーク

Fluo-4Fluo-4intensity
intensity Fluo-4Fluo-4intensity
intensity(a.u.)(a.u.)(a.u.)(a.u.)

小胞体

B. Bリンパ球細胞のCa2+応答A. 心筋細胞の拍動リズム制御

0.2 sec

Cnt CGP0.0 0.6
0.1 0.7
0.2 0.8
0.3 0.9
0.4 1.00.5 1.1
0.6 1.2
0.7 1.3
0.8 1.4
0.9 1.5
1.0 1.6
1.1 1.7
1.2 1.8
1.3 1.9
1.4 2.0
1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Time (sec)Time (sec)
マウス洞房結節細胞のLCR A. ミトコンドリアとLCR発生部位との関係。B.
NCLXの阻害薬（CGP-37157; CGP）の効果。★: local Calcium release
Cnt: vehicle control

Ⅲ. イオンチャネルの一分子動態
 一個のイオンチャネルが動く様子を測定・解析しています。
 金ナノ結晶を観測プローブとし、高輝度白色X線を観測光として照射し（SPring-8）、回折点の計測からイオンチャネルの構造変化の様子を動画計測することができます。
 静止画像として得られる立体構造と機能する際の動きをつなぐ観測手法として注目されています。

Ⅳ. 数理モデル解析
A. Bリンパ球数理モデル
コントロール

NCLXノックアウト

抗原受容体刺激

抗原受容体刺激A

B

一分子動態計測法 A. 観測原理。B. イオンチャネルが開閉することで、回折点が矢印の方向に移動する。

B. 心筋ミトコンドリア数理モデル

C. 包括的心筋細胞モデル

生理的濃度以下の細胞質Ca2+濃度ではATPレベルが維持できない。

心筋細胞の膜興奮・イオン動態・収縮・シグナル伝達・細胞容積調節・エネルギー代謝の数理モデル

Ca2+Na+NCLX

Bリンパ球の抗原受容体応答。Ⅰの実験結果を予測した。

最近の発表論文

1. Takeuchi A, Matsuoka S. Minor contribution of NCX to Na+-Ca2+ exchange activity in brain mitochondria. Cell Calcium. 96:102386, 2021.
2. Islam MM, Takeuchi A, Matsuoka S. Membrane current evoked by mitochondrial Na+-Ca2+ exchange in mouse heart. J Physiol Sci. 70:24, 2020.
3. Takeuchi A, Matsuoka S. Integration of mitochondrial energetics in heart with mathematical modelling. J Physiol. 598, 1443-1457, 2020.
4. Takeuchi A, Kim B, Matsuoka S. Physiological functions of mitochondrial Na+-Ca2+ exchanger, NCLX, in lymphocytes. Cell Calcium. 85:102114, 2020.
5. Shimizu H. Diffracted X-ray tracking method for recording single-molecule protein motions. Biochim Biophys Acta Gen Subj. 1864, 129361, 2020.
6. Hu Y, Duan Y, Takeuchi A, Hai-Kurahara L, Ichikawa J, Hiraishi K, Numata T, Ohara H, Iribe G, Nakaya M, Mori MX, Matsuoka S, Ma G, Inoue R. Uncovering the arrhythmogenic
potential of TRPM4 activation in atrial-derived HL-1 cells using novel recording and numerical approaches. Cardiovasc Res. 113:1243-1255, 2017.
7. Kim B, Takeuchi A, Hikida M, Matsuoka M. Roles of the mitochondrial Na+-Ca2+ exchanger, NCLX, in B lymphocyte chemotaxis. Sci Rep. 6:28378, 2016.
8. Saito R, Takeuchi A, Himeno Y, Inagaki N, Matsuoka S. A simulation study on the constancy of cardiac energy metabolites during workload transition. J Physiol. 594:6929-6945, 2016.