分子フォトニクス制御に基づいた生命現象探索錯体プローブ

• Project Area: Coordination Programming - Science of Molecular Superstructures for Chemical Devices
• Project/Area Number: 22108519
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: 菊地 和也 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (70292951)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2011: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2010: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 遺伝子発現 / レポーター酵素 / MRIプローブ / Gd^<3+>錯体 / ^<19>F / 常磁性緩和促進効果 / 配立化学 / ^<19>F-MRI / アポトーシス / Caspase-3

Research Abstract

本研究では、遺伝子発現を可視化するレポーター酵素の活性によって、MR1コントラストが変化する合成プローブの開発を行った。MRIシグナルを変化させることのできるプローブ設計を行なううえで、Gd^<3+>錯体と^<19>F化合物に着目した。Gd^<3+>錯体は、常磁性緩和促進効果により近傍に存在する分子のNMRシグナルを減少させることが知られている。^1Hは生体における主要成分を構成することから^1Hを観測核としたプローブのシグナルを選択的に取得するのは困難であるのに対し、^<19>Fは、生体内にほとんど存在しないために、バックグラウンドシグナルに干渉されるという問題がない。この結果、^<19>Fを導入した化合物からなるプローブは、バックグラウンドシグナルがなく、高いS/N比を有すると考えられる。そこで、Gd^<3+>錯体と^<19>Fを含む化合物をレポーター酵素の基質の構造を介してつないだ分子を設計する。この設計では、^<19>FのMRIシグナルがGd^<3+>錯体の常磁性緩和促進効果により抑制されるが、酵素反応に伴いGd^<3+>錯体と^<19>F化合物が解離し^<19>FのMRIシグナルが回復することを期待した。
設計したプローブは、酵素反応前は、プローブのNMRシグナルを大きく減少させており、酵素との反応とともにNMRシグナルを回復させた。また、酵素反応をMRI測定により観測したところ、プローブと酵素の反応に伴いMRIコントラストの向上が観測された。さらに、このレポーター酵素を細胞膜上で発現させ、プローブを添加しMRI画像を撮像したところ、非発現細胞に比べMRIシグナルの上昇が確認された。以上の結果から、今回開発したプローブは、動物個体の遺伝子発現を可視化する基盤ツールとなると期待される。

Research Products

• [Journal Article] ^<19>F MRI Detection of β-Galactosidase Activity for Imaging of Gene Expression (2011)
  • Author(s): Shin Mizukami, Hisashi Matsushita, Rika Takikawa, Fuminori Sugihara, Masahiro Shirakawa, Kazuya Kikuchi
  • Journal Title: Chem.Sci. Volume: 2 Issue: 6 Pages: 1151-1155
  • DOI: 10.1039/c1sc00071c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Covalent Protein Labeling with a Lanthanide Complex and its Application to Photoluminescence Lifetime-based Multicolor Bioimaging (2011)
  • Author(s): Shin Mizukami, Taku Yamamoto, Akimasa Yoshimura, Shuji Watanabe, Kazuya Kikuchi
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 50 Issue: 37 Pages: 8750-8752
  • DOI: 10.1002/ange.201103775
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cell Surface Protein Labeling with Luminescent Nanoparticles via Biotinylation Using Mutant ss-Lactamase-tag Technology (2011)
  • Author(s): Akimasa Yoshimura, Shin Mizukami, Yuichiro Hori, Kazuya Kikuchi
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 12 Issue: 7 Pages: 1031-1034
  • DOI: 10.1002/cbic.201100021
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multicolor Protein Labeling in Living Cells Using Mutant β-Lactamase-Tag Technology (2010)
  • Author(s): Shuji Watanabe
  • Journal Title: Bioconjugate Chemistry Volume: 21 Pages: 2320-2326
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photocontrolled Compound Release System Using Caged Antimicrobial Peptide (2010)
  • Author(s): Shin Mizukami
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 132 Pages: 9524-9525
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Turn-on Fluorescent Switch Involving Aggregation and Elimination Processes for β-Lactamase-Tag (2010)
  • Author(s): Kalyan K Sadhu
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 46 Pages: 7403-7405
  • Peer Reviewed