リーシュマニアのライフサイクルに関する新しい知見
研究が先進的なイメージング技術を使ってレイシュマニアの細胞周期について明らかにしている。
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リーシュマニアは、人間や動物に深刻な病気を引き起こすことができる小さな生物だ。この生物は、傷跡を残す皮膚の潰瘍や、致命的な内部の病状など、さまざまな健康問題を引き起こす可能性がある。リーシュマニアには多くの種類があり、特定の種類のハエ、サンドフライの噛みによって広がる。
この寄生虫が病気を引き起こす上で最も重要な側面の一つが、そのライフサイクルだ。リーシュマニアが自分たちのライフサイクルを効果的に完了し、人を病気にするためには、宿主の中で繁殖する必要がある。だから、科学者たちはこれらの寄生虫の成長サイクルがどのように働くのかについて、より詳細に学ぼうとしている。この知見は、リーシュマニアが引き起こす病気の新しい治療法を見つける手助けになるかもしれない。
リーシュマニアの構造
リーシュマニアは、キネトプラスティダという大きな生物のグループに属している。これらの生物のユニークな特徴の一つは、DNAを含む二つの細胞構造を持っていることだ:核とキネトプラスト。キネトプラストは、寄生虫が動くのを助ける重要な構造、フラジェラにリンクしている。フラジェラは、フラジェラポケットと呼ばれる細胞の特別な部分から出てくる。ここはまた、細胞が物質を取り込んだり放出したりする場所でもある。
これらの構造に加えて、リーシュマニアはゴルジ装置という小さな細胞成分を持っていて、タンパク質の処理や輸送を助けている。細胞の形やこれらの構造の配置は、細胞がサイクルを経るごとに変化する。この変化を理解することは、リーシュマニアがどのように繁殖し発展するかと関連しているため、重要だ。
リーシュマニアの細胞サイクル
リーシュマニアの細胞サイクルは、いくつかの段階に分かれている。サイクルの始まり、G1期では、細胞は一つの核、一つのキネトプラスト、一つのフラジェラを持っている。G1期を進む中で、細胞は長くなる。G1期が終わると、細胞はS期に入って、DNAを複製する。この期間中の細胞形状の変化は重要だ。
S期の後、細胞は非常に短いG2期に入る。その後、細胞は有糸分裂を経て、二つの新しい細胞に分かれる。有糸分裂中、細胞は再び形を変えることができ、短くて幅広くなる。
異なる研究では、核とキネトプラストが分裂するタイミングについて異なる順序が報告されている。ある研究では、核が通常はキネトプラストよりも先に分裂すると示唆しているが、他の研究はその逆を示している。最近の画像技術では、場合によっては娘核同士の最後のつながりがキネトプラストが分裂した後にのみ切れることが明らかになった。
分裂プロセスが完了すると、細胞サイクルの最後のステップはサイトケイネシスと呼ばれ、ここで細胞が二つの独立した細胞に分かれる。このプロセスには、細胞の形を維持するためのフレームワークである細胞骨格の構造変化が含まれる。
細胞サイクルの測定
リーシュマニアがこのサイクルを進むのを理解するために、科学者たちは通常、細胞構造を観察し測定するためにさまざまな方法を使う。彼らは細胞内の構造を強調するための特別な染色技術や、細胞サイズを測定するための視覚技術を使うかもしれない。しかし、これらの方法は手間がかかり、課題もある。例えば、顕微鏡観察は詳細な画像を提供できるが、大規模な細胞群を扱うときには時間がかかる。
逆に、フローサイトメトリーの方法は多くの細胞を一度に処理できるが、細胞内の構造の配置についての詳細な画像や情報を提供することには欠けている。したがって、研究者たちはリーシュマニアの細胞サイクルをよりよく分析するための新しい技術を探している。
画像フローサイトメトリー:新しいアプローチ
画像フローサイトメトリー(IFC)は、細胞を分析するための有望な新しい方法を代表している。この技術は、フローサイトメトリーの迅速な処理能力と顕微鏡の詳細な画像能力を組み合わせている。短時間で無数の細胞の高解像度画像を取得できる。これにより、研究者たちは多くのデータを集め、個々の細胞のさまざまな特性を同時に分析できる。
IFCは、細胞の長さや幅などのさまざまな特徴を分析するのに役立つ異なるモードで画像をキャプチャできる。この技術は形態学やDNA含量に基づいて特定の細胞集団を定義することを可能にする。さらに、細胞は自動的に細胞サイクルの異なる段階に分類することもできる。
画像フローサイトメトリーでのリーシュマニアの細胞サイクルの研究
IFCがリーシュマニアの細胞サイクルの研究に役立つかどうかを確認するために、研究者たちは生きている細胞と固定された細胞を調べた。細胞の画像を分析することで、明確な細胞サイクル段階を見ることができ、細胞サイクル依存の形態の変化が生きている細胞と固定された細胞の両方で観察可能であることが確認できた。
特に、DNAの染色に使用した染料の中で、Vybrant DyeCycle Orange(DCO)という特定の染料が生きた細胞のDNAを定量的に染色することができることがわかった。これにより、研究者たちはDNA含量を追跡し、個々の細胞の細胞サイクル段階を効果的に推定することができた。
研究の結果
IFCとDCOを使用することで、研究者たちはリーシュマニアの細胞サイクルの異なる段階を分類することができた。早期と後期のG1細胞、S期の細胞、G2/M期の細胞を区別することができた。フルオレッセントマーカーでタグ付けされたKINFというタンパク質の発現と局在を追跡することで、細胞サイクルの間に特定の変化がいつ起こるのかを確認できた。
これにより、さまざまな細胞サイクル段階のタイミングが特定された。研究者たちは、G1期はかなりの期間続き、S期がこれまで考えられていたよりも長く、G2期が比較的短いことを発見した。
発見の重要性
これらの発見は、リーシュマニアの細胞サイクルを理解する上で重要な一歩を示す。細胞を形態学とDNA含量に基づいて分類できる能力は、研究者たちにこれらの寄生虫がどのように成長し分裂するかを調査するための新しいツールを提供する。この情報は、リーシュマニアによって引き起こされる病気の新しい治療法を開発するために重要かもしれない。
ここで示された新しいツールや方法は、リーシュマニアだけでなく、他の寄生虫やその細胞サイクルを研究するためにも適用できる。
結論
リーシュマニアとそのライフサイクルの研究は、彼らが引き起こす病気のために重要だ。彼らの細胞サイクルを理解することは、新しい治療法への道を開くかもしれない。画像フローサイトメトリーは、リーシュマニアの細胞サイクル段階を特定し分析するための効果的な方法であることが証明され、この分野の研究を大きく進展させる可能性がある。この技術は、科学者たちにこれらの寄生虫の生物学を前例のないレベルで研究する機会を提供し、今後のインパクトのある発見の可能性を秘めている。
タイトル: Analysis of the Leishmania mexicana promastigote cell cycle using imaging flow cytometry provides new insights into cell cycle flexibility and events of short duration.
概要: Promastigote Leishmania mexicana have a complex cell division cycle characterised by the ordered replication of several single-copy organelles, a prolonged S phase and rapid G2 and cytokinesis phases, accompanied by cell cycle stage-associated morphological changes. Here we exploit these morphological changes to develop a high-throughput and semi-automated imaging flow cytometry (IFC) pipeline to analyse the cell cycle of L. mexicana in live cells. Firstly, we demonstrate that, unlike several other DNA stains, Vybrant DyeCycle Orange (DCO) is non-toxic and enables quantitative DNA imaging in live L. mexicana promastigotes. Secondly, by tagging the orphan spindle kinesin, KINF, with mNeonGreen, we describe KINFs cell cycle-dependent expression and localisation. Then, by combining manual gating of DCO DNA intensity profiles with automated masking and morphological measurements of parasite images, visual determination of the number of flagella per cell, and automated masking and analysis of mNG:KINF fluorescence, we provide a newly detailed description of L. mexicana promastigote cell cycle events that, for the first time, includes the durations of individual G2, mitosis and post-mitosis phases, and identifies G1 cells within the first 12 minutes of the new cell cycle. By applying IFC in this way, we were able, in minutes, to capture tens of thousands of high-quality brightfield and fluorescent images of live L. mexicana cells in solution, and to acquire quantitative data across multiple parameters for every image captured. Our custom-developed masking and gating scheme allowed us to identify elusive G2 cells and to demonstrate that the CDK-inhibitor, flavopiridol, arrests cells in G2 phase, rather than mitosis, providing proof-of-principle of the utility of IFC for drug mechanism-of-action studies. Further, the high-throughput nature of IFC allowed the close examination of promastigote cytokinesis, revealing considerable flexibility in both the timing of cytokinesis initiation and the direction of furrowing, in contrast to the related kinetoplastid parasite, Trypanosoma brucei. Significantly, our analysis demonstrate that the cleavage furrow can ingress unidirectionally from either pole of the cell, bidirectionally from both simultaneously or even commence internally along the anterior-posterior (A-P) axis. Our new pipeline offers many advantages over traditional methods of cell cycle analysis such as fluorescence microscopy and flow cytometry and paves the way for novel high-throughput analysis of Leishmania cell division. Author SummaryLeishmania mexicana is a single-celled parasite that is spread by sand flies and causes a spectrum of diseases called the leishmaniases in humans and animals. To cause disease, L. mexicana parasites must replicate and divide, and their cell division cycle has unusual and/or complex features, including that the parasite changes shape as it replicates. To aid analysis of the L. mexicana cell cycle, we developed a new quantitative DNA staining technique and also generated a fluorescent parasite cell line that highlighted when cells were dividing their DNA (mitosis) after replicating it. We then applied a high-throughput technique called imaging flow cytometry to capture images of tens of thousands of these parasites in just a few minutes. For each image, we were able to extract data about DNA replication, cell shape, whether the cells were in mitosis or not and how they divide. This provided new insights into how the parasites replicate and how long each stage of cell division takes as well as how the parasites split in two at the end of cell division. We were also able to use our analysis method to precisely determine the cell cycle stage at which a cell cycle inhibitor acts. More importantly, the imaging pipelines we have developed offer great advantages in terms of speed and depth over more traditional analysis techniques such as microscopy and should pave the way for increasingly detailed analyses of parasite cell biology in the future.
著者: Tansy C Hammarton, J. Howell, S. Omwenga, M. Jimenez
最終更新: 2024-04-16 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.07.24.550259
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.07.24.550259.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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