細胞が動く“仕組み”を可視化 がん転移や免疫の理解に前進~光遺伝学とクライオ電子線トモグラフィーの融合によるナノスケール構造動態解析技術を確立~

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2025-04-30 東京科学大学

東京科学大学、三重大学、神戸大学の共同研究チームは、光遺伝学とクライオ電子線トモグラフィーを統合し、細胞運動に関わる葉状仮足の形成過程をナノスケールで可視化する革新的技術を確立しました。光刺激で葉状仮足の形成を誘導し、急速凍結して細胞構造を時間軸に沿って観察することで、アクチン繊維と細胞膜の再構築過程や「mini filopodia」と呼ばれる新構造の存在を明らかにしました。これにより、神経誘導や免疫応答、がん転移などの理解が進み、創薬研究への応用も期待されます。

細胞が動く“仕組み”を可視化 がん転移や免疫の理解に前進~光遺伝学とクライオ電子線トモグラフィーの融合によるナノスケール構造動態解析技術を確立~

<関連情報>

光遺伝学を用いたラメリポディア形成におけるアクチン細胞骨格と膜構造の低温電子顕微鏡解析 Cryo-ET of actin cytoskeleton and membrane structure in lamellipodia formation using optogenetics

Hironori Inaba, Tsuyoshi Imasaki, Kazuhiro Aoyama, Shogo Yoshihara, Hiroko Takazaki, Takayuki Kato, Hidemasa Goto, Kaoru Mitsuoka, Ryo Nitta, Takao Nakata
iScience  Available online: 24 April 2025
DOI:https://doi.org/10.1016/j.isci.2025.112529

Highlights

  • Integrating optogenetics with cryo-ET to visualize cell dynamics at specific times.
  • Cryo-ET reveals actin and membrane ultrastructure during lamellipodia formation.
  • Mini filopodia act as precursors driving lamellipodia membrane protrusion.
  • Actin bundles align parallel to the leading edge during lamellipodia extension.

Summary

Lamellipodia are sheet-like protrusions essential for cell migration and endocytosis, but their ultrastructural dynamics remain poorly understood because conventional electron microscopy lacks temporal resolution. Here, we combined optogenetics with cryo-electron tomography (cryo-ET) to visualize the actin cytoskeleton and membrane structures during lamellipodia formation with temporal precision. Using photoactivatable-Rac1 (PA-Rac1) in COS-7 cells, we induced lamellipodia formation with a 2-minute blue light irradiation, rapidly vitrified samples, and analyzed their ultrastructure with cryo-ET. We obtained 16 tomograms of lamellipodia at different degrees of extension from three cells. These revealed small protrusions with unbundled actin filaments, “mini filopodia” composed of short, bundled actin filaments at the leading edge, and actin bundles running nearly parallel to the leading edge within inner regions of lamellipodia, suggesting dynamic reorganizations of the actin cytoskeleton. This approach provides a powerful framework for elucidating the ultrastructural dynamics of cellular processes with precise temporal control.

生物工学一般
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