タンパク質の非平衡状態構造解析を可能にするケミカル光制御法の開発

• Project Area: Non-equilibrium-state molecular movies and their applications
• Project/Area Number: 19H05778
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 清中 茂樹 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (90422980)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 永澤 秀子 岐阜薬科大学, 薬学部, 教授 (90207994) ; 古田 寿昭 東邦大学, 理学部, 教授 (90231571)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥133,640,000 (Direct Cost: ¥102,800,000、Indirect Cost: ¥30,840,000); Fiscal Year 2023: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000); Fiscal Year 2022: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000); Fiscal Year 2021: ¥25,220,000 (Direct Cost: ¥19,400,000、Indirect Cost: ¥5,820,000); Fiscal Year 2020: ¥26,650,000 (Direct Cost: ¥20,500,000、Indirect Cost: ¥6,150,000); Fiscal Year 2019: ¥30,290,000 (Direct Cost: ¥23,300,000、Indirect Cost: ¥6,990,000)
• Keywords: ケミカルバイオロジー / ケージド化合物 / 光制御 / ケージド

Outline of Research at the Start

本研究では、ケミカルバイオロジー手法を駆使して、光応答能を有さない酵素・受容体に対する「ケミカル光制御法」を開発する。具体的には、光照射で活性種を産生できる光作動性ケージド化合物、タンパク質ケミカルラベル、ピコ秒の反応速度で光異性化するフォトクロミック分子などのケミカルバイオロジー的手法により、観測したい反応時間に適したタンパク質のケミカル光制御法を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

清中は、アデノシンA2A受容体（A2AR）の光スイッチング分子の開発を引き続き遂行した。その結果、光照射前後（シス型とトランス型）に、A2AR活性化が約１００倍違う化合物を見出すことに成功した。この化合物に関しては、岩田班との共同研究により、結晶化まで成功している。また、昨年度に結晶化を試みたA2AR光制御リガンドについては、低分解能のものしか得られなかったが、その原因は親和性が足りないことだと考えられた。そこで高親和性リガンドも作成し、同様に岩田班との共同研究により、共結晶の取得を行なった。
古田は、光トリガーとしてのケージド化合物の開発を継続した。受容体や酵素等のケミカルラベルを可能にするモジュール型ケージド化合物として，ぺプチジルトランスフェラーゼ，トポイソメラーゼ，DNAジャイレース等の阻害剤のケージド化合物を合成した。ケージド化合物に細胞種選択性を付与する遺伝子指向性光解離性保護基のレパートリーを拡充して，外来性遺伝子を発現させた任意の細胞，老化細胞，および，がん細胞選択性が期待されるケージド化合物の開発に応用した。生細胞を用いて，ヒストン脱メチル化，および，CNGチャンネル機能の光制御が可能であることを示した。班内の共同研究として，開発されたケージド化合物の光化学的特性を検証した。
永澤は、ケ－ジド過酸化物を開発し、生細胞でミトコンドリア選択的に酸化ストレスを光で惹起することに成功した。pepducinを基盤とする化学プローブによる血小板上の標的タンパク質PAR1の標識とプロテオミクス解析を行い、蛍光標識された血小板タンパク質に関する情報を得た。また、永野グループとの共同研究であるFsa2の基質及びその構造異性体の全合成が完了し、酵素反応の立体制御に関する新たな知見が得られた。共結晶解析のため基質分子を供給できる態勢が整った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度に引き続き、研究代表者および研究分担者ともに密に連携を取りながら、また他計画班とも連携をとりながら、効率的に研究を進めた。

Strategy for Future Research Activity

今年度の研究成果に基づき、今後も上記の研究計画内容を展開させる。ケージド化合物の高速分子動画に関しては南後班との強い連携、A2AR光スイッチングに関しては岩田班との連携を取りながら研究を進めていく。来年度中には、光制御分子共存下での結晶構造まで取得し、高速分子動画取得を行いたい。

Research Products

• [Journal Article] Synthesis and photochemical properties of caged peroxides for photocontrol of cellular oxidative stress (2023)
  • Author(s): Tsuji Mieko、Taira Haruno、Udagawa Taro、Aoki Tatsuya、Hirayama Tasuku、Nagasawa Hideko
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 69
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design and Synthesis of Gene-directed Caged Compounds toward Photopharmacology (2022)
  • Author(s): 古田寿昭
  • Journal Title: YAKUGAKU ZASSHI Volume: 142 Issue: 5 Pages: 495-502
  • DOI: 10.1248/yakushi.21-00203-3
  • ISSN: 0031-6903, 1347-5231
  • Year and Date: 2022-05-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Coordination chemogenetics for activation of GPCR-type glutamate receptors in brain tissue (2022)
  • Author(s): Ojima Kento、Kakegawa Wataru、Yamasaki Tokiwa、Miura Yuta、Itoh Masayuki、Michibata Yukiko、Kubota Ryou、Doura Tomohiro、Miura Eriko、Nonaka Hiroshi、Mizuno Seiya、Takahashi Satoru、Yuzaki Michisuke、Hamachi Itaru、Kiyonaka Shigeki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30828-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Coordination chemogenetics for regulation of glutamate receptors in neuron (2022)
  • Author(s): Miura Yuta、Ojima Kento、Kiyonaka Shigeki
  • Journal Title: Folia Pharmacologica Japonica Volume: 157 Issue: 5 Pages: 366-370
  • DOI: 10.1254/fpj.22047
  • ISSN: 0015-5691, 1347-8397
• [Journal Article] Elucidation of the working principle of a gene-directed caged HDAC inhibitor with cell-type selectivity (2022)
  • Author(s): Sakamoto Kotoko, Hirano Ayumi, Hidaka Rika, Suzuki Z. Akinobu, Ueno Taro, Furuta Toshiaki
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 58 Issue: 75 Pages: 10484-10487
  • DOI: 10.1039/d2cc03552a
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chemogenetics of cell surface receptors: beyond genetic and pharmacological approaches (2022)
  • Author(s): Yuta Miura, Akinobu Senoo, Tomohiro Doura, Shigeki Kiyonaka
  • Journal Title: RSC Chemical Biology Volume: 3 Issue: 3 Pages: 269-287
  • DOI: 10.1039/d1cb00195g
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Orthogonal activation of metabotropic glutamate receptor using coordination chemogenetics (2022)
  • Author(s): Akinobu Senoo, Yutaro Yamada, Kento Ojima, Tomohiro Doura, Itaru Hamachi, Shigeki Kiyonaka
  • Journal Title: Frontiers in Chemistry Volume: 9 Pages: 825669-825669
  • DOI: 10.3389/fchem.2021.825669
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 配位ケモジェネティクスによる代謝型グルタミン酸受容体の制御 (2022)
  • Author(s): 妹尾 暁暢, 清中 茂樹
  • Journal Title: 化学と工業 Volume: 75 Pages: 115-115
• [Journal Article] Molecular Imaging of Labile Heme in Living Cells Using a Small Molecule Fluorescent Probe (2022)
  • Author(s): Kawai Kanta、Hirayama Tasuku、Imai Haruka、Murakami Takanori、Inden Masatoshi、Hozumi Isao、Nagasawa Hideko
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 144 Issue: 9 Pages: 3793-3803
  • DOI: 10.1021/jacs.1c08485
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design and synthesis of gene-directed caged cyclic nucleotides exhibiting cell type selectivity (2021)
  • Author(s): Suzuki Akinobu Z.、Sakano Taichi、Sasaki Hirona、Watahiki Rei、Sone Masaki、Horikawa Kazuki、Furuta Toshiaki
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 57 Issue: 46 Pages: 5630-5633
  • DOI: 10.1039/d1cc01405f
  • NAID: 120007175419
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ligand-directed two-step labeling to quantify neuronal glutamate receptor trafficking (2021)
  • Author(s): Ojima Kento、Shiraiwa Kazuki、Soga Kyohei、Doura Tomohiro、Takato Mikiko、Komatsu Kazuhiro、Yuzaki Michisuke、Hamachi Itaru、Kiyonaka Shigeki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 831-831
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21082-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design and synthesis of gene-directed caged cyclic nucleotides exhibiting cell type selectivity (2021)
  • Author(s): A. Z. Suzukia, T. Sakano, H. Sasaki, R. Watahiki, M. Sone, K. Horikawa, T. Furuta
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: -
  • NAID: 120007175419
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Construction of a Fluorescent Screening System of Allosteric Modulators for the GABAAReceptor Using a Turn-On Probe (2019)
  • Author(s): Sakamoto Seiji、Yamaura Kei、Numata Tomohiro、Harada Fumio、Amaike Kazuma、Inoue Ryuji、Kiyonaka Shigeki、Hamachi Itaru
  • Journal Title: ACS Central Science Volume: 5 Issue: 9 Pages: 1541-1553
  • DOI: 10.1021/acscentsci.9b00539
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design, Synthesis, and Photochemical Properties of Clickable Caged Compounds (2019)
  • Author(s): Suzuki Akinobu Z.、Shiraishi Yukiko、Aoki Hanami、Sasaki Hirona、Watahiki Rei、Furuta Toshiaki
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 152 Issue: 152
  • DOI: 10.3791/60021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Equisetin誘導体合成における熱または酵素的Diels-Alder反応によるデカリン形成の立体化学制御 (2023)
  • Author(s): 狩谷拓実、長谷川颯人、辻美恵子、平山祐、加藤直樹、永野真吾、永澤秀子
  • Organizer: 日本薬学会第143年会
• [Presentation] グルタミン酸受容体の構造変化に着目したケモジェネティクス法の開発 (2022)
  • Author(s): 清中 茂樹
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 細胞種選択的にはたらく遺伝子指向性ケージド化合物の開発 (2022)
  • Author(s): 古田寿昭
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会第16回年会
  • Invited
• [Presentation] 薬理学ツールから創薬を指向した新奇GPCRケモジェネティクス法の開発 (2022)
  • Author(s): 清中 茂樹
  • Organizer: 第95回日本薬理学会年会
  • Invited
• [Presentation] ヘム選択的蛍光プローブを用いたヘム排出機構およびフェロトーシスにおけるヘム変動の解析 (2022)
  • Author(s): 河合 寛太、平山 祐、位田 雅俊、村上 貴規、辻 美恵子、永澤 秀子
  • Organizer: 日本薬学会第142年会
• [Presentation] Coordination chemogenetics for artificially controlling neurotransmitter receptor function (2021)
  • Author(s): Shigeki Kiyonaka
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Coordination chemogenetics for direct activation of GPCR-type glutamate receptors in brain tissue (2021)
  • Author(s): 清中 茂樹
  • Organizer: 第５９回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Design and synthesis of gene-directed caged compounds (2021)
  • Author(s): Toshiaki Furuta
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] グルタミン受容体動態の定量解析を目指した新たなケミカルラベル (2021)
  • Author(s): 清中 茂樹
  • Organizer: 第94回日本薬理学会年会
• [Presentation] Ligand-directed two-step labeling to quantify AMPA-type glutamate receptor trafficking (2021)
  • Author(s): Kento Ojima,Kyohei Soga, Itaru Hamachi, Shigeki Kiyonaka
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] 光刺激細胞内酸化ストレス誘導化合物の開発研究 (2021)
  • Author(s): 辻 美恵子、青木 達也、平良 遥乃、並木 進、平山 祐、永澤 秀子
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] 細胞膜を標的とした光ケージド過酸化物の開発 (2021)
  • Author(s): 青木達也、辻美恵子、平良遥乃、平山祐、永澤秀子
  • Organizer: 日本酸化ストレス学会東海支部第９回学術集会
• [Presentation] 分子動画撮影の高速トリガーとしてのケージド化合物 (2020)
  • Author(s): 古田 寿昭，佐々木紘那，鈴木 商信
  • Organizer: 第93回日本生化学会大会
• [Presentation] 遺伝子指向性ケージド化合物の設計と合成 (2020)
  • Author(s): 古田寿昭
  • Organizer: 第69回日本感染症学会東日本学術集会・第67回日本化学療法学会東日本支部総会
• [Presentation] Coordination chemogenetics, a new technique for allosteric regulation of membrane receptors (2019)
  • Author(s): Shigeki Kiyonaka
  • Organizer: The 50th NIPS International Symposium “MIRACLES” in Caridiovasucular Physology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 神経伝達物質受容体機能を解き明かすためのケミカルバイオロジー新技術 (2019)
  • Author(s): 清中 茂樹
  • Organizer: 第72回日本薬理学会西南部会（次世代薬理学セミナー）
  • Invited
• [Presentation] グルタミン酸受容体の精密動態を明らかにするためのケミカルラベル化法 (2019)
  • Author(s): 清中 茂樹
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] New chemogenetic approaches for artificially controlling neurotransmitter receptor function in neuronal system (2019)
  • Author(s): Shigeki Kiyonaka
  • Organizer: 10th RSC-CSJ joint symposium -Chemistry for complex biological systems-
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞内酸化ストレス制御を目指した光解除型ケージドTBHP化合物の開発 (2019)
  • Author(s): 〇 辻美恵子、渡辺航、青木達也、平山祐、永澤秀子
  • Organizer: 第14回年会日本ケミカルバイオロジー学会
• [Presentation] 細胞内で機能する光解除型TBHPケージド化合物の開発 (2019)
  • Author(s): 〇青木 達也、辻 美恵子、渡辺 航、平良 遥乃、平山 祐、永澤 秀子
  • Organizer: 日本酸化ストレス学会東海支部第8回学術集会
• [Presentation] ターゲティング可能なケージド化合物の開発と光薬理学への展開 (2019)
  • Author(s): 古田寿昭
  • Organizer: 第41回日本光医学・光生物学会
  • Invited
• [Presentation] 標的細胞にターゲティング可能な遺伝子指向性ケージドアニソマイシンの設計と合成 (2019)
  • Author(s): 佐々木 紘那、古田寿昭
  • Organizer: 日本化学会 第100春季年会
• [Presentation] 標的細胞選択的に光活性化可能な遺伝子指向性ケージド化合物の設計と合成 (2019)
  • Author(s): 青木 花美、古田寿昭
  • Organizer: 日本化学会 第100春季年会
• [Patent(Industrial Property Rights)] 変異型Gタンパク質共役型受容体 (2021)
  • Inventor(s): 清中茂樹、堂浦智裕、長谷川寛太、柏俊太朗
  • Industrial Property Rights Holder: 清中茂樹、堂浦智裕、長谷川寛太、柏俊太朗
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-028956
  • Filing Date: 2021