Comprehensive elucidation of the energy metabolism of hematopoietic stem cells by measuring the concentration of ATP in living cells

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申請者はATP濃度のFRETバイオセンサーである”GO-ATeam2”を用い、造血幹細胞(HSC)の代謝動態の解明に取り組んだ。採用1年目において明らかとした加齢HSCのミトコンドリア代謝の強靭な可塑性、ならびに週齢にかかわらないHSCに特異的な代謝制御システムの分子機構についての詳細な研究を行った。加齢HSCにおけるミトコンドリア代謝可塑性を規定する分子基盤として、定常状態においてATP産生に対する寄与が少ない電子伝達系複合体(ETC complex)が重要な役割を担うと仮定して研究を進め、ETC complex IIにより活性化される脂肪酸ベータ酸化(FAO)が加齢HSCにおいてより強力に活性化されうることを見出した。さらにその上流因子として、造血に必須なサイトカインであるTPO刺激によって維持され、かつETC complex IIの組み立てに必須であるSdhaf1タンパク量が加齢HSCにおいて増加し、その結果としてミトコンドリア代謝が強力に活発化されることを見出した。HSCにのみ特異的な代謝機構の観点からは、増殖ならびに分化においては解糖系がPfkfb3依存的に活性化することを明らかにした。さらに、Pfkfb3の活性化は転写産物量依存的ではなくprmt1によるPfkfb3の翻訳後修飾に依存していることを明らかにした。これらのHSCならびに加齢HSCにおける代謝システムの意義は、いずれもin vitroのシステムで各種阻害剤を用いて明らかとしたが、いずれの結論に対してもin vivoでの移植後再構築能評価を行い、その生体内での重要性も確認した。本研究結果は、多くの生体や細胞数を必要とした従来の研究過程を大幅に短縮しうる画期的な技術となり、さらにはその技術を用いてこれまで困難であったHSCの網羅的な代謝測定による新規知見を得ることが出来た。