生体膜の曲率・脂質パッキング状態変化を誘起する機能性ペプチドと展開

• Project Area: Chemical Approaches for Miscellaneous / Crowding Live Systems
• Project/Area Number: 20H04707
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 二木 史朗 京都大学, 化学研究所, 教授 (50199402)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 細胞膜 / 膜曲率 / 膜流動性 / 膜変形

Outline of Research at the Start

細胞膜は、種々の分子が密集する「究極の分子夾雑環境」である。この分子夾雑環境の中で細胞膜との特異的相互作用により膜の形や流動性を制御できれば、細胞運動や、分化、分裂などを制御する分子ツールが得られる。また、膜との相互作用を介して、膜に担持されたタンパク質の働きを調節できれば、「細胞内イベント」を制御するユニークな分子ツールとなり得る。本研究では、「分子夾雑環境下に膜の形状や流動性というソフト環境を制御・調節する機能性ペプチド」の創出と機能評価・解析を通して、「生命化学分野における新しい細胞操作技術（生体膜システム工学）」としての一層の展開を図る。

Outline of Annual Research Achievements

細胞膜は、種々の分子が密集する「究極の分子夾雑環境」である。この分子夾雑環境の中で細胞膜との特異的相互作用により膜の形や流動性を制御できれば、細胞運動や、分化、分裂などを制御する分子ツールが得られる。また、膜との相互作用を介して、膜に担持されたタンパク質の働きを調節できれば、「細胞内イベント」を制御するユニークな分子ツールとなり得る。本研究では、「分子夾雑環境下に膜の形状や流動性というソフト環境を制御・調節する機能性ペプチド」の創出と機能評価・解析を通して、「生命化学分野における新しい細胞操作技術（生体膜システム工学）」としての一層の展開を図ることを目的とした。成果として、細胞膜とペプチドとの相互作用調節による膜曲率増強・膜構造変換促進を目的に新規ペプチドの創出を行い、9アミノ酸からなる膜曲率の誘導活性を有する両親媒性ペプチドが、エンドサイトーシスによる細胞取込を促進する効果を有することを見出した。また、曲率誘導ペプチドEpN18の3量体化により、単量体の1/80の濃度で単量体と同等の脂質パッキング緩和活性とオクタアルギニンの膜透過促進効果を有することを示した。さらに、曲率感知ペプチドにより、菌体から放出される細胞外小胞を効果的に検出する系も構築した。弱毒化溶血ペプチドL17Eの3量体と蛍光標識した抗体(IgG)が液-液相分離を起こし液滴を形成すること、この液滴が細胞膜と接することでダイナミックな細胞膜の波打状態が誘起され、これに呼応して抗体が細胞内に一気注入されることも示した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] カールスルーエ工科大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] カールスルーエ工科大学(ドイツ)
• [Journal Article] Artificial Nanocage Formed via Self-Assembly of β-Annulus Peptide for Delivering Biofunctional Proteins into Cell Interiors (2022)
  • Author(s): Sakamoto Kentarou、Furukawa Hiroto、Arafiles Jan Vincent V.、Imanishi Miki、Matsuura Kazunori、Futaki Shiroh
  • Journal Title: Bioconjugate Chemistry Volume: 33 Issue: 2 Pages: 311-320
  • DOI: 10.1021/acs.bioconjchem.1c00534
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] L17ER4: A cell-permeable attenuated cationic amphiphilic lytic peptide (2022)
  • Author(s): Shinga Kenta、Iwata Takahiro、Murata Kazuya、Daitoku Yoko、Michibata Junya、Arafiles Jan Vincent V.、Sakamoto Kentarou、Akishiba Misao、Takatani-Nakase Tomoka、Mizuno Seiya、Sugiyama Fumihiro、Imanishi Miki、Futaki Shiroh
  • Journal Title: Bioorganic & Medicinal Chemistry Volume: 61 Pages: 116728-116728
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2022.116728
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design of the N-Terminus Substituted Curvature-Sensing Peptides That Exhibit Highly Sensitive Detection Ability of Bacterial Extracellular Vesicles (2021)
  • Author(s): Kawano Kenichi、Yokoyama Fumiaki、Kamasaka Kouhei、Kawamoto Jun、Ogawa Takuya、Kurihara Tatsuo、Futaki Shiroh
  • Journal Title: Chemical and Pharmaceutical Bulletin Volume: 69 Issue: 11 Pages: 1075-1082
  • DOI: 10.1248/cpb.c21-00516
  • NAID: 130008109893
  • ISSN: 0009-2363, 1347-5223
  • Year and Date: 2021-11-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Potentiating the membrane interaction of an attenuated cationic amphiphilic lytic peptide for intracellular protein delivery by anchoring with pyrene moiety (2021)
  • Author(s): Kentarou Sakamoto, Junya Michibata, Yusuke Hirai, Akiko Ide, Asuka Ikitoh, Tomoka Takatani-Nakase and Shiroh Futaki
  • Journal Title: Bioconjugate Chemistry Volume: - Issue: 5 Pages: 950-957
  • DOI: 10.1021/acs.bioconjchem.1c00101
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Liquid Droplet Formation and Facile Cytosolic Translocation of IgG in the Presence of Attenuated Cationic Amphiphilic Lytic Peptides (2021)
  • Author(s): Iwata T, Hirose H, Sakamoto K, Hirai Y, Arafiles JVV, Akishiba M, Imanishi M, Futaki S
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 60 Issue: 36 Pages: 19804-19812
  • DOI: 10.1002/anie.202105527
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design and Creation of Functional Membrane-Interacting Peptides (2020)
  • Author(s): Futaki Shiroh
  • Journal Title: Journal of Synthetic Organic Chemistry, Japan Volume: 78 Issue: 11 Pages: 1058-1065
  • DOI: 10.5059/yukigoseikyokaishi.78.1058
  • NAID: 130007937276
  • ISSN: 0037-9980, 1883-6526
  • Year and Date: 2020-11-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhancing the Activity of Membrane Remodeling Epsin-Peptide by Trimerization (2020)
  • Author(s): Wei-Yuan Hsu, Toshihiro Masuda, Sergii Afonin, Takayuki Sakai, Jan Vincent V. Arafiles, Kenichi Kawano, Hisaaki Hirose, Miki Imanishi, Anne S. Ulrich, Shiroh Futaki
  • Journal Title: Bioorg. Med. Chem. Lett. Volume: － Issue: 12 Pages: 127190-127190
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2020.127190
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An artificial amphiphilic peptide promotes endocytic uptake by inducing membrane curvature (2020)
  • Author(s): Masuda Toshihiro、Hirose Hisaaki、Baba Kentarou、Walrant Astrid、SAGAN Sandrine、Inagaki Naoyuki、FUJIMOTO TOYOSHI、Futaki Shiroh
  • Journal Title: Bioconjugate Chemistry Volume: - Issue: 6 Pages: 1611-1615
  • DOI: 10.1021/acs.bioconjchem.0c00239
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a Simple and Rapid Method for In Situ Vesicle Detection in Cultured Media (2020)
  • Author(s): Kawano Kenichi、Yokoyama Fumiaki、Kawamoto Jun、Ogawa Takuya、Kurihara Tatsuo、Futaki Shiroh
  • Journal Title: Journal of Molecular Biology Volume: 432 Issue: 22 Pages: 5876-5888
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2020.09.009
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 中分子細胞膜の脂質パッキングと細胞内送達 (2021)
  • Author(s): 二木史朗
  • Organizer: 第37回日本DDS学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Amphiphilic peptides to alter cell membrane structure and permeability (2021)
  • Author(s): Shiroh Futaki
  • Organizer: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Amphiphilic peptides to alter cell membrane structure and permeability (2020)
  • Author(s): 二木史朗
  • Organizer: 第72回日本細胞生物学会大会
  • Invited
• [Remarks] 抗体を液滴に濃縮し細胞内へ高速輸送
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2021-08-06-1
• [Remarks] 抗体を液滴に濃縮し細胞内へ高速輸送
  • URL: https://www.kuicr.kyoto-u.ac.jp/sites/topics/20210805/