低温電子断層撮影された細胞の構造

オーストリア科学技術研究所の研究チームが、細胞の個々の構造を詳細に分析するべく2年の研究を費やした結果、冷凍による方法で実現しました。

この方法により得た知識で、細胞の運動性や病気の発症等、複数の役割におけるタンパク質複合体の調節と活性についての理解が深まる事が確実視されています。

New methods enable scientists at IST Austria to take a look at the innermost of cells: high-resolution images of deep-frozen cells show structures that previously could only be guessed at.

参照元：https://ist.ac.at/en/news/cutting-edge-technology-reveals-structures-within-cells/
– オーストリア科学技術研究所 Institute of Science and Technology Austria. December 22, 2020 –

私たちの体の細胞は動いています。

傷を癒したり病原体と戦ったりするためにAからBに移動する人もいます。

それらは、移動する細胞の前縁にある小さな「足」、いわゆる葉状仮足の助けを借りてそうします。

これらの薄いエクステンションは前方に押し出され、セルの残りの部分が引っ張られている間に表面に結合します。

これらの足の内側には、細胞の細胞骨格を形成するアクチンフィラメントと呼ばれるタンパク質の糸が織り交ぜられた密なネットワークがあります。

これまでのところ、細胞運動の中心となる7つのタンパク質の集合体であるArp2 / 3複合体が、既存のアクチンフィラメントから新しいアクチンフィラメントを発芽させ、細胞に必要な突出力を提供する高密度の分岐ネットワークを生成する方法は不明でした。

これまで、科学者はArp2 / 3複合体の構造をいつ分析するかを決定する必要がありました。

1つのオプションは、タンパク質複合体が不活性なコンフォメーションにあるため、ネットワークがどのようになっているのかを理解できない場合に、それを分離して研究することでした。

ただし、完全に活性化されるためには、Arp2 / 3複合体がアクチンフィラメントに結合している必要があります。

これには、電子トモグラフィーと呼ばれる方法を使用する必要がありますが、解像度が大幅に低下します。

ISTオーストリア教授FlorianSchurのグループのポスドクFlorianFäßler氏は説明します。

「試験管環境でアクチンフィラメントに結合したArp2 / 3複合体の以前の電子断層撮影データは不正確すぎたため、複合体の個々の要素をどこに配置する必要があるかを明確に判断することは不可能でした。」

彼は2年以上にわたり、個々の構造を正確に分析できるように、自然環境でタンパク質複合体を描写する方法を模索してきました。

今、彼は成功しました。

彼は、マウス細胞の膜状仮足内の複合体を、その能動的なアクチン結合コンフォメーションで画像化しました。

分子生物学者のFlorianSchur氏は説明します。

「私たちは自分自身に言いました。タンパク質複合体やアクチンフィラメントだけでなく、他のあらゆる種類のものもあるため、環境がはるかに複雑な細胞に入ります。しかし、これが私たちの唯一の方法でした。このネットワークを、その構造を決定できるような方法で維持することができます。」

「これは、摂氏マイナス196度の気温によって可能になりました。数ミリ秒以内に、研究者たちはサンプルを凍結しました-細胞の微細構造を破壊する氷の結晶を形成するには速すぎました。」

「次に、利用可能な最も強力な低温電子顕微鏡の1つ（オーストリアで唯一の顕微鏡）を使用して、クライオ電子線トモグラフィーを使用してさまざまな角度から細胞を画像化しました。そうすることで、チームはアクティブ状態の10,000を超えるArp2 / 3複合体の3D再構成に十分なデータを収集しました。」

「次に、高度な画像処理と組み合わせて、1ナノメートル未満の解像度でArp2 / 3複合体の3Dモデルを生成しました。参考までに、人間の髪の毛は約50,000ナノメートルの太さです。」

高度な方法論により、チームは、Arp2 / 3複合体とアクチンフィラメントの間のはるかに広い領域の接続を想定していた以前のモデルに反論する可能性があります。

しかし、科学者たちは、この複合体がどのように調節され、新しいアクチンフィラメントを形成するかについての他の側面を確認しました。

この知識により、他の科学者は、細胞の運動性や病気の発症を超えた複数の役割におけるこの重要なタンパク質複合体の調節と活性をよりよく理解できるようになりました。

Schur氏は熱心に話します。

「私たちが行ったことは、方法論と解像度の観点から、このような複雑なサンプルで現在可能な限りのことを行うことです。現在の解像度では、新しい生物学的洞察が得られましたが、それは方法論の進歩でもありました。」

FlorianFäßler氏は、他のタンパク質を視覚化し、この方法で細胞内をどこまで見ることができるかを調べるために、この方法をさらに改善したいと考えています。

Schur氏は話します。

「私たちは、低温電子断層撮影の可能性を完全に実現し始めたばかりです。」