Development of chemical tools for photocontrol of protein-protein interaction

• Project/Area Number: 17K05921
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Bio-related chemistry
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Kowada Toshiyuki 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (40584397)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2018: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 光制御 / タンパク質二量体化 / 蛍光イメージング / 光操作 / 蛋白質リガンド / 光応答性分子 / タンパク質二量化 / フォトクロミック分子 / フォトクロミック化合物 / 光操作技術 / 光スイッチ / 生体分子 / 蛋白質 / 有機化学 / ケミカルバイオロジー

Outline of Final Research Achievements

We aimed to establish photo-regulation techniques for protein dimerization in living cells. First, we developed a caged protein ligand for BL-tag by using a photolabile protecting group and succeeded in controlling the protein localization in a light irradiation-dependent manner in cells. We also developed a photochromic ligand for FKBP12(F36V) and found that the degree of protein dimer formation in the cell was changed by light irradiation.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

細胞内のタンパク質機能を人為的に操作する技術の開発が近年精力的に進められている。特に光を用いることで、時空間分解能の高い機能制御が可能になる。本研究で開発した光活性化型タンパク質二量化剤は、任意のタイミングで生細胞内のタンパク質間相互作用を光誘起可能である。本手法を用いて、今後、細胞内のシグナル伝達機構の詳細解析が促進され、疾患機構の解明につながると期待される。

Research Products

• [Journal Article] Optical Manipulation of Subcellular Protein Translocation Using a Photoactivatable Covalent Labeling System (2021)
  • Author(s): Kowada Toshiyuki、Arai Keisuke、Yoshimura Akimasa、Matsui Toshitaka、Kikuchi Kazuya、Mizukami Shin
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 60 Issue: 20 Pages: 11378-11383
  • DOI: 10.1002/anie.202016684
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Protocol for synthesis and use of a turn-on fluorescent probe for quantifying labile Zn2+ in the Golgi apparatus in live cells (2021)
  • Author(s): Kowada Toshiyuki、Watanabe Tomomi、Liu Rong、Mizukami Shin
  • Journal Title: STAR Protocols Volume: 2 Issue: 2 Pages: 100395-100395
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2021.100395
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative Imaging of Labile Zn2+ in the Golgi Apparatus Using a Localizable Small-Molecule Fluorescent Probe (2020)
  • Author(s): Kowada Toshiyuki、Watanabe Tomomi、Amagai Yuta、Liu Rong、Yamada Momo、Takahashi Hiroto、Matsui Toshitaka、Inaba Kenji、Mizukami Shin
  • Journal Title: Cell Chemical Biology Volume: 27 Issue: 12 Pages: 1521-1531
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2020.09.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Light-wavelength-based Quantitative Control of Dihydrofolate Reductase Activity Using Photochromic Isostere of Inhibitor (2019)
  • Author(s): Takato Mashita, Toshiyuki Kowada, Hiroto Takahashi, Toshitaka Matsui, Shin Mizukami
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 印刷中 Issue: 11 Pages: 1382-1386
  • DOI: 10.1002/cbic.201800816
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 細胞外スルファターゼ活性を検出する蛍光プローブの開発 (2021)
  • Author(s): Kashfia Ahamed, Toshiyuki Kowada, Norihiko Sasaki, Shin Mizukami
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] Quantitative Mapping of Cellular Labile Zn2+ via Development of Hybrid Fluorescent Probes (2021)
  • Author(s): 劉熔, 小和田俊行, 松井敏高, 水上進
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] 細胞小器官局在化蛍光プローブの開発と細胞内遊離亜鉛の定量イメージング (2020)
  • Author(s): 小和田俊行, 渡邊朝美, 天貝佑太, 劉 熔, 山田 桃, 高橋泰人, 松井敏高, 稲葉謙次, 水上 進
  • Organizer: 第29回日本バイオイメージング学会学術集会
• [Presentation] 哺乳動物細胞分泌経路における亜鉛調節とタンパク質品質管理 (2020)
  • Author(s): 天貝佑太，山田桃，渡邊朝美，小和田俊行，楢本悟史，渡部聡，経塚淳子，Roberto Sitia，水上進，稲葉謙次
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 標的タンパク質への親和性を光制御可能なフォトクロミックリガンドの開発 (2020)
  • Author(s): 間下 貴斗, 小和田 俊行, Himadri S. SARKAR, 高橋 泰人, 松井 敏高, 水上 進
  • Organizer: 第14回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] Quantitative Mapping of Organellar Labile Zn2+ via the Development of Hybrid Fluorescent Probes (2020)
  • Author(s): 劉 熔, 小和田 俊行, 松井 敏高, 水上 進
  • Organizer: 第14回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] 光可逆的な蛋白質ラベル化を可能とするリガンドの開発 (2020)
  • Author(s): 間下 貴斗, 小和田 俊行, SARKAR S. Himadri, 高橋 泰人, 松井 敏高, 水上 進
  • Organizer: 第31回万有仙台シンポジウム
• [Presentation] Subcellular Labeling Performances of Tetrazine-trans-Cyclooctene Cycloadditions and Their Products (2020)
  • Author(s): Ira Novianti, Toshiyuki Kowada, Shin Mizukami
  • Organizer: 第20回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
• [Presentation] Escherichia coli dihydrofolate reductase-selective photoswitchable inhibitors enabling reversible optical control of protein labeling (2020)
  • Author(s): Himadri Sekhar Sarkar, Takato Mashita, Toshiyuki Kowada, Ming Ming Yem, Satoshi, Watanabe, Kenji Inaba, Toshitaka Matsui, Shin Mizukami
  • Organizer: 第20回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
• [Presentation] Quantitative imaging analysis of labile Zn2+ in intracellular organelles via the development of hybrid fluorescent probe (2020)
  • Author(s): 劉 熔, 小和田俊行, 渡邊朝美, 松井俊高, 水上 進
  • Organizer: 理学・生命科学研究科合同シンポジウム 2020
• [Presentation] 光応答性タンパク質ラベル化リガンドの開発 (2020)
  • Author(s): 間下 貴斗, 小和田 俊行, SARKAR Himadri S., 高橋 泰人, 松井 敏高, 水上 進
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会
• [Presentation] Quantitative Mapping of Cellular Labile Zn2+ via Development of Hybrid Fluorescent Probes (2020)
  • Author(s): 劉 熔, 小和田 俊行, 渡邊 朝美, 松井 敏高, 水上 進
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会
• [Presentation] 細胞機能を解き明かす機能性小分子蛍光プローブの合成 (2019)
  • Author(s): 小和田俊行
  • Organizer: 第8回化学フロンティア研究会
  • Invited
• [Presentation] Design and synthesis of functional small-molecule probes for fluorescence imaging (2019)
  • Author(s): Toshiyuki Kowada
  • Organizer: The 6th International Symposium on Bioimaging
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞内オルガネラにおける遊離亜鉛濃度解析を目指した小分子蛍光プローブの開発 (2019)
  • Author(s): 小和田俊行
  • Organizer: 新学術領域研究「化学コミュニケーションのフロンティア」第4回若手シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Quantitative analysis of free zinc ion concentration in living cells using novel targetable fluorescent probe (2019)
  • Author(s): Tomomi Watanabe, Toshiyuki Kowada, Rong Liu, Toshitaka Matsui, Shin Mizukami
  • Organizer: 15th International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry (ISABC15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of photoswitchable compounds that selectively bind to Escherichia coli dihydrofolate reductase (2019)
  • Author(s): Takato Mashita, Toshiyuki Kowada, Hiroto Takahashi, Toshitaka Matsui, Shin Mizukami
  • Organizer: Tohoku University's Chemistry Summer School 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Fluorescent Probes for Visualization and Quantification of Zn2+ in Organelles (2019)
  • Author(s): Rong Liu, Toshiyuki Kowada, Tomomi Watanabe, Toshitaka Matsui, Shin Mizukami
  • Organizer: Tohoku University's Chemistry Summer School 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of photochromic ligands that enable photoreversible protein labeling (2019)
  • Author(s): Takato Mashita, Toshiyuki Kowada, Hiroto Takahashi, Toshitaka Matsui, Shin Mizukami
  • Organizer: Chemical Biology and Physiology Conference 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of fluorescent probes for visualization and quantitative analysis of free zinc ion in intracellular organelles (2019)
  • Author(s): Toshiyuki Kowada, Tomomi Watanabe, Rong Liu, Toshitaka Matsui, Shin Mizukami
  • Organizer: Chemical Biology and Physiology Conference 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光可逆的な蛋白質ラベル化技術を指向した機能性小分子の開発 (2019)
  • Author(s): 間下貴斗，小和田俊行，高橋泰人，松井敏高，水上 進
  • Organizer: 生体機能関連化学部会若手の会 第31回サマースクール
• [Presentation] 細胞内小器官における亜鉛イオン濃度解析のための蛍光プローブの開発 (2019)
  • Author(s): 小和田 俊行, 劉 熔, 渡邊 朝美, 松井 敏高, 水上 進
  • Organizer: 第13回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] 光可逆的蛋白質ラベル化を可能とする生体直交性リガンドの開発 (2019)
  • Author(s): 間下 貴斗, 小和田 俊行, 高橋 泰人, 松井 敏高, 水上 進
  • Organizer: 第13回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] 光活性化型タンパク質ラベル化技術を用いた生体分子の局在制御 (2019)
  • Author(s): 鈴木 理志, 小和田 俊行, 荒井 啓介, 吉村 彰真, 松井 敏高, 菊地 和也, 水上 進
  • Organizer: 第13回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] Development of light-switchable protein-protein interaction system for protein degradation (2019)
  • Author(s): Toshiyuki Kowada, Toshitaka Matsui, Shin Mizukami
  • Organizer: The 1st International Symposium on Chemical Communication (ISCC2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 蛋白質ラベル化技術を利用した蛋白質二量体化の光制御 (2019)
  • Author(s): 小和田俊行, 荒井啓介, 吉村彰真, 松井敏高, 菊地和也, 水上 進
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会
• [Presentation] タンパク質への結合を可逆的に光制御可能なメトトレキセート誘導体の開発 (2019)
  • Author(s): 間下貴斗, 小和田俊行, 高橋泰人, 松井敏高, 水上 進
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会
• [Presentation] 生体機能解析に供する機能性小分子の開発と蛍光イメージング (2018)
  • Author(s): 小和田俊行
  • Organizer: 平成30年度東日本分析化学若手交流会
  • Invited
• [Presentation] 可逆的光応答性薬剤の開発 (2018)
  • Author(s): 間下貴斗, 小和田俊行, 高橋泰人, 松井敏高, 水上 進
  • Organizer: 第29回 万有仙台シンポジウム
• [Presentation] Photo-switchable Dihydrofolate Reductase (DHFR) Inhibitor (2018)
  • Author(s): Takato Mashita, Toshiyuki Kowada, Hiroto Takahashi, Toshitaka Matsui, Shin Mizukami
  • Organizer: Tohoku University's Chemistry Summer School 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光でタンパク質への結合を可逆的に制御可能なリガンドの開発 (2018)
  • Author(s): 間下貴斗, 小和田俊行, 高橋泰人, 松井敏高, 水上 進
  • Organizer: 第12回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] 生体機能解析応用を志向した光応答性化合物の合成と機能評価 (2018)
  • Author(s): 間下貴斗、小和田俊行、高橋泰人、松井敏高、水上進
  • Organizer: 日本化学会第98春季年会
• [Book] イメージングの選び方・使い方100＋（原田慶恵、永井健治／編） (2018)
  • Author(s): 小和田俊行、水上 進（分担：第９章）
  • Total Pages: 236
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758103756
• [Remarks] 東北大学多元物質科学研究所 水上研究室
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/mizukami/
• [Remarks] 水上研究室 | 東北大学多元物質科学研究所
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/mizukami/
• [Remarks] 水上研究室 | 東北大学多元物質科学研究所
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/mizukami/http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/mizukami/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光応答性化合物 (2018)
  • Inventor(s): 水上 進、間下貴斗、小和田俊行、松井敏高
  • Industrial Property Rights Holder: 東北大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2018-165991
  • Filing Date: 2018