[論文レビュー] Morphology, cell division, and viability of Saccharomyces cerevisiae at high hydrostatic pressure

Khanh Nguyen, Steven Murray+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2017

Microbial Inactivation Methods参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、最高70 MPaの高水圧が *Saccharomyces cerevisiae* に与える影響を定量的に調査し、圧力がG1期細胞周期停止を介して胞出しを抑制し、アポトーシスとネクローシスの両方を誘発することを明らかにした。自動画像解析と連続体モデルを用いて、圧力が上昇するにつれて細胞サイズと楕円率が低下し、胞出しインデックスが体系的に減少することを示し、細胞分裂の圧力依存的抑制を裏付けた。

ABSTRACT

High hydrostatic pressure is commonly encountered in many environments, but the effects of high pressure on eukaryotic cells have been understudied. To understand the effects of hydrostatic pressure in the model eukaryote, Saccharomyces cerevisiae, we have performed quantitative experiments of cell division, cell morphology, and cell death under a wide range of pressures. We developed an automated image analysis method for quantification of the yeast budding index - a measure of cell cycle state - as well as a continuum model of budding to investigate the effect of pressure on cell division and cell morphology. We find that the budding index, the average cell size, and the eccentricity - a measure of how much the cell morphology varies from the being elliptical - of the cells decrease with increasing pressure. Furthermore, high hydrostatic pressure led to the small but finite probability of cell death via both apoptosis and necrosis. Our experiments suggest that decrease of budding index arises from cellular arrest or death at the cell cycle checkpoints during different stages of cell division.

研究の動機と目的

• 高水圧が真核生物のモデル生物 *Saccharomyces cerevisiae* の細胞分裂、形態、生存率に与える影響を定量的に理解すること。
• 酵母における圧力誘発性細胞周期停止および細胞死のメカニズムを解明すること。
• 胞出しサイクルに及ぼす圧力効果を記述する連続体的現象論的モデルを構築すること。
• 酵母における適応的進化実験に適した圧力-温度条件を同定すること。
• 高圧暴露下における形態的変化、特に細胞サイズおよび離心率の特徴を明らかにすること。

提案手法

• 複数の圧力レベルで胞出しインデックス（細胞周期進行の指標）を定量化するため、自動画像解析を採用した。
• 圧力下での胞出し細胞および非胞出し細胞のダイナミクスを記述する微分方程式に基づく連続体的現象論的モデルを構築した。
• 時間分解能を有する顕微鏡観察と高圧セルを用いて、0〜70 MPaの圧力下での生きた細胞の形態および分裂をモニタリングした。
• 流式細胞計数法および蛍光染色を用いて、アポトーシスマーカー（例：リンホスアチルセリノールの外部化、クロマチン凝集）および壊死性細胞死を検出した。
• 圧力下での形態的変形の指標として、細胞サイズおよび離心率の変化を測定した。
• 非胞出し細胞と胞出し細胞の比をモデル化する常微分方程式系を用いて、長期的集団ダイナミクスを解析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高水圧は *Saccharomyces cerevisiae* の胞出しインデックスおよび細胞周期進行にどのように影響するか？
• RQ2 圧力が上昇するにつれて、酵母細胞に生じる形態的変化（特にサイズおよび形状（離心率））は何か？
• RQ3 長時間の高圧暴露下における細胞死の主なモード（アポトーシス対ネクローシス）は何か？
• RQ4 現象論的連続体モデルは、酵母集団における圧力依存的胞出しダイナミクスを正確に記述できるか？
• RQ5 *S. cerevisiae* が適応的進化実験に耐えうる十分な期間生存できる圧力-温度条件は何か？

主な発見

• *Saccharomyces cerevisiae* の胞出しインデックスは圧力が上昇するにつれて低下し、主にG1期の細胞周期停止に起因する細胞分裂の抑制を示した。
• 細胞サイズおよび離心率（楕円形からの形態的逸脱の指標）は、圧力が上昇するにつれて両方とも低下し、進行的な形態的単純化を示した。
• 50 MPaを超える圧力では、有限の確率で細胞死が観察され、極めて高い圧力下では壊死的死がアポトーシス的死よりも顕著になった。
• 初期および遅発アポトーシスの証拠として、クロマチン凝集およびリンホスアチルセリノールの外部化が観察され、圧力誘発性のDNA損傷または膜 dysfuncion が示唆された。
• 胞出しダイナミクスの連続体モデルは、長期的極限において非胞出し細胞と胞出し細胞の比が定常的になることを予測し、初期条件に依存せず、割合定数のみに依存することを示した。
• 37°Cにおける50–70 MPaの圧力範囲が、*S. cerevisiae* における適応的進化実験を開始するのに適した窓口であると同定された。