遺伝子コードセンサーを用いた ex vivoショウジョウバエ 幼虫脳におけるモノカルボン酸塩およびその他の関連代謝産物の可視化

脳は、神経細胞の電気信号の生成と伝達、およびシナプス伝達によって引き起こされるニューロンのイオン勾配を回復するためのコストが高いため、高いエネルギー要件を持っています^1,2。この高いエネルギー需要は、グルコースの連続的な酸化によって満たされ、^ATP3を生成すると長い間考えられてきました。血液脳関門の特定のトランスポーターは、血液中のグルコースを脳に伝達します。一定のグリセミックレベルは、脳がグルコース⁴の安定した供給を受けることを保証します。興味深いことに、乳酸やピルビン酸などのグルコース代謝に由来する分子が、脳細胞のエネルギー産生に重要な役割を果たしていることを示唆する実験的証拠が増えています^5,6。しかし、これらの分子がエネルギー生産にとってどれほど重要であるか、そして脳内のどの細胞がそれらを生成または使用するかについては、まだいくつかの議論があります^7,8。この課題に必要な高い時間的・空間的分解能を備えた適切な分子ツールの欠如は、この論争を完全に解決することを妨げている重要な問題です。

いくつかの人工蛍光代謝センサーの開発と応用により、代謝産物がどこでどのように生成され、使用されるか、および基礎および高ニュー^{ロン活動中に}代謝フラックスがどのように発生するかについての理解が著しく向上しました9。ATeam(ATP)、FLII¹²Pglu700μδ6(グルコース)、ラコニック(乳酸)、ピロニック(ピルビン酸)などのフェルスター共鳴エネルギー移動(FRET)顕微鏡に基づく遺伝的にコードされた代謝センサーは、脳のエネルギー代謝の理解に貢献しています^10,11,12,13。しかし、生きた動物や組織で実験を行うには高いコストと高度な機器が必要であるため、脊椎動物モデルの結果は、主に細胞培養(グリア細胞とニューロン)に限定されています。

ショウジョウバエモデルを用いてこれらのセンサーを発現させることで、主要な代謝的特徴が種を超えて保存されており、その機能にこのツールで簡単に対処できることが明らかになりました。さらに重要なことに、ショウジョウバエモデルは、グルコースと乳酸/ピルビン酸がハエの脳内でどのように輸送および代謝されるか、モノカルボン酸の消費と記憶形成の関連性、および神経活動と代謝流束の増加がどのように重なるかの驚くべき実証に光を当てました^14,15,16,17.幼虫の脳に発現する遺伝的にコードされたFRETセンサーを用いて、モノカルボン酸、グルコース、ATPレベルを測定するために今回紹介した方法により、研究者はショウジョウバエの脳がエネルギーをどのように使用しているかについてさらに学ぶことができ、それを他の動物の脳に適用することができます。

本手法がグリア細胞や神経細胞の乳酸やグルコースの検出に有効であること、グリア細胞への乳酸の取り込みにモノカルボン酸トランスポーター(Chaski)が関与していることを明らかにしました。また、GABA_A 受容体拮抗薬の浴中塗布によって容易に誘導できる、神経活動の増加中の代謝物の変化を研究するための簡単な方法も示します。最後に、この方法論を使用して、脂肪体などの他の代謝的に重要な組織におけるモノカルボン酸およびグルコース輸送を測定できることを示します。