深層学習を用いた細胞内微細構造解析によるエネルギー産生調整機構の解明

細胞内でミトコンドリアは限られた体積の中で効率よくエネルギーを産生するために、クリステ構造と呼ばれる複雑な内膜構造を持つ。しかし、その微細かつ複雑な構造ゆえに、クリステの3次元構造を効率的に解析する手法はなかった。本研究では、独自に構築した深層学習による画像解析ワークフローを用いることで、培養細胞の3次元電顕画像から多数のミトコンドリアおよびクリステ構造の3次元再構築を非常に高効率で行い、さらに、クリステ構造とミトコンドリア内膜の結合部であるクリステジャンクションを抽出し3次元再構築することに世界で初めて成功した。また、深層学習によるハイスループット解析法を、ミトコンドリア近傍の小胞体を抽出できるように拡張し、ミトコンドリア-小胞体接触部位の3次元再構築にも成功した。また、同様の解析をミトコンドリア内膜局在タンパク質OPA1欠損細胞でも行い、OPA1欠損細胞ではミトコンドリア体積が減少し、ミトコンドリア単位面積におけるクリステの量は変わらないものの、クリステ構造が多様な形態をとることが明らかになった。この成果は、クリステ構造の多様性をミトコンドリア内膜タンパク質が制御していることを示唆しており、クリステ構造制御メカニズムの解明につながるものである。

細胞内でミトコンドリアは限られた体積の中で効率よくエネルギーを産生するために、クリステ構造と呼ばれる複雑な内膜構造を持つ。しかし、その微細かつ複雑な構造ゆえに、クリステの3次元構造を効率的に解析する手法はなかった。本研究では、独自に構築した深層学習による画像解析ワークフローを用いることで、培養細胞の3次元電顕画像から多数のミトコンドリアおよびクリステ構造の3次元再構築を非常に高効率で行い、さらに、クリステ構造とミトコンドリア内膜の結合部であるクリステジャンクションを抽出し3次元再構築することに世界で初めて成功した。また、深層学習によるハイスループット解析法を、ミトコンドリア近傍の小胞体を抽出できるように拡張し、ミトコンドリア-小胞体接触部位の3次元再構築にも成功した。また、同様の解析をミトコンドリア内膜局在タンパク質OPA1欠損細胞でも行い、OPA1欠損細胞ではミトコンドリア体積が減少し、ミトコンドリア単位面積におけるクリステの量は変わらないものの、クリステ構造が多様な形態をとることが明らかになった。この成果は、クリステ構造の多様性をミトコンドリア内膜タンパク質が制御していることを示唆しており、クリステ構造制御メカニズムの解明につながるものである。