合成分子と生体分子によって超越する遺伝子発現光制御システムの構築

• Project Area: Bottom-up creation of cell-free molecular systems: surpassing nature
• Project/Area Number: 22H05425
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 蓑島 維文 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (20600844)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000); Fiscal Year 2023: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: 光スイッチングリガンド / 転写制御 / フォトクロミック分子 / 合成生物学 / 光応答性色素 / 多剤結合転写因子

Outline of Research at the Start

本研究では生体分子、低分子化合物、光を用いて可逆的に遺伝子発現を制御できる手法の構築に取り組む。天然の細胞が持たない、光の波長に応じた高い効率の遺伝子発現の活性化、不活性化の制御をシンプルな系で実現することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

細胞内における遺伝子発現は転写調節因子によって発現量が巧妙に調節されており、細胞機能を維持するための基盤となるシステムといえる。そのため、外部刺激を利用した転写量の自在な制御法を再構築できれば、無細胞も含めたさまざまな遺伝子発現系を任意に動かすことが可能となる。光は範囲、時間、量を選択して照射することができるため、時空間的な操作が可能な外部刺激源として生命活動の制御に利用されている。そこで、本研究では、光応答性のリガンドを利用した遺伝子発現の光制御システムの開発を行うことを目的とした。
近年超解像イメージング等へ応用されているphotoactivatableな蛍光色素に着目し、細菌由来の薬剤排出に関わる転写因子の機能と組み合わせることで光応答性の遺伝子発現制御システムの構築に取り組んだ。この転写因子は通常は対応するDNA配列に結合することで薬剤排出に関連する遺伝子を制御するリプレッサーとしてはたらいている。ここにリガンドが結合すると、DNAから解離し、下流の遺伝子発現が活性化される。芳香環を有するカチオン性の化合物がリガンドとしてはたらくことが知られており、光照射によってカチオン性を示す色素をリガンドとして利用できるのではないかと考えた。
上記のデザインに基づき、光応答性リガンドとなるphotoactivatableな色素を合成した。光照射を行ったところ速やかに変換が起こり、発色団の形成に伴い蛍光の大幅な増大が確認された。光照射前後における転写因子タンパク質との結合を評価したところ、光照射後の化合物は強く結合することが確認された、続いて無細胞転写系による遺伝子発現量を評価したところ、光照射後ではmRNA量の増加が見られ、本遺伝子発現制御システムの光駆動化に成功した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Activatable 19F MRI probe for detection of α-amylase activity (2024)
  • Author(s): Konishi Yuki、Otera Yuya、Minoshima Masafumi、Kikuchi Kazuya
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 53 Issue: 1
  • DOI: 10.1093/chemle/upae003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rational Design of Hydroxylated Thiazole Orange Photocages for Green Light‐Triggered DNA Recombination (2024)
  • Author(s): Hashimoto Ryu、Minoshima Masafumi、Kikuchi Kazuya
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 25 Issue: 4
  • DOI: 10.1002/cbic.202300799
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recent advancements of fluorescent biosensors using semisynthetic probes (2024)
  • Author(s): Reja Shahi Imam、Minoshima Masafumi、Hori Yuichiro、Kikuchi Kazuya
  • Journal Title: Biosensors and Bioelectronics Volume: 247 Pages: 115862-115862
  • DOI: 10.1016/j.bios.2023.115862
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Elastic Polymer Coated Nanoparticles with Fast Clearance for 19F MR Imaging (2023)
  • Author(s): Konishi Yuki、Minoshima Masafumi、Fujihara Kohei、Uchihashi Takayuki、Kikuchi Kazuya
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 62 Issue: 40
  • DOI: 10.1002/anie.202308565
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a Versatile Protein Labeling Tool for Live‐Cell Imaging Using Fluorescent β‐Lactamase Inhibitors (2023)
  • Author(s): Minoshima Masafumi、Umeno Taro、Kadooka Kohei、Roux Margaux、Yamada Namiko、Kikuchi Kazuya
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 62 Issue: 18
  • DOI: 10.1002/anie.202301704
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 生命機能を可視化するさまざまな化学蛍光プローブ (2023)
  • Author(s): 蓑島維文、菊地和也
  • Journal Title: 医学のあゆみ 生体イメージングの最前線 Volume: 286 Pages: 337-342
• [Journal Article] MRIの現在と未来-マルチカラー19F MRIがもたらすもの (2023)
  • Author(s): 小西祐輝、蓑島維文、菊地和也
  • Journal Title: 化学12月号 Volume: 12 Pages: 62-63
• [Journal Article] JAK inhibition ameliorates bone destruction by simultaneously targeting mature osteoclasts and their precursors (2023)
  • Author(s): Yari et al.
  • Journal Title: Inflammation and Regeneration Volume: 43 Issue: 1 Pages: 18-18
  • DOI: 10.1186/s41232-023-00268-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Recent Advances in Activatable 19F Magnetic Resonance Imaging Nano‐Probes for the Detection of Biomarkers (2022)
  • Author(s): Salaam Jeremy、Minoshima Masafumi、Kikuchi Kazuya
  • Journal Title: Analysis & Sensing Volume: 3 Issue: 4
  • DOI: 10.1002/anse.202200081
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hybrid, dual visible and near-infrared fluorescence emission of (6,5) single-walled carbon nanotubes modified with fluorescein through aryl diazonium salt chemistry (2022)
  • Author(s): Tomczyk Mateusz Michal、Minoshima Masafumi、Kikuchi Kazuya、Blacha-Grzechnik Agata、Starosolski Zbigniew、Bhavane Rohan、Zalewski Mariusz、Kuznik Nikodem
  • Journal Title: Nanotechnology Volume: 34 Issue: 5 Pages: 055703-055703
  • DOI: 10.1088/1361-6528/ac9c6a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photoinitiator‐Free Two‐Photon Polymerization of Biocompatible Materials for 3D Micro/Nanofabrication (2022)
  • Author(s): Nakayama Atsushi、Kumamoto Yasuaki、Minoshima Masafumi、Kikuchi Kazuya、Taguchi Atsushi、Fujita Katsumasa
  • Journal Title: Advanced Optical Materials Volume: 10 Issue: 18 Pages: 2200474-2200474
  • DOI: 10.1002/adom.202200474
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Efficient visible/NIR light-driven uncaging of hydroxylated thiazole orange-based caged compounds in aqueous media (2022)
  • Author(s): Hashimoto Ryu、Minoshima Masafumi、Sakata Souhei、Ono Fumihito、Ishii Hirokazu、Watakabe Yuki、Nemoto Tomomi、Yanaka Saeko、Kato Koichi、Kikuchi Kazuya
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 13 Issue: 25 Pages: 7462-7467
  • DOI: 10.1039/d2sc02364d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] pH‐Sensitive Polymethacrylates as Potential Contrast Agents in 19F MRI (2022)
  • Author(s): Zalewski Mariusz、Janasik Dawid、Kapala Anna、Minoshima Masafumi、Sugihara Fuminori、Raj Wojciech、Pietrasik Joanna、Kikuchi Kazuya、Krawczyk Tomasz
  • Journal Title: Macromolecular Chemistry and Physics Volume: 223 Issue: 14 Pages: 2200027-2200027
  • DOI: 10.1002/macp.202200027
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of pH-activatable Fluorescent Probes for in vivo Imaging-based Analysis of Osteoclastic Bone Resorption (2023)
  • Author(s): Masafumi Minoshima, Hatsune Miki, Yasutaka Yoshimura, Kazuya Kikuchi
  • Organizer: EMBL symposium: seeing is believing: imaging the molecular processes of life
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] β-ラクタマーゼ阻害剤を用いたタンパク質ラベル化法の開発とオートファジーに伴うタンパク質動態の可視化 (2023)
  • Author(s): 蓑島維文、梅野太朗、門岡康平、Margaux Roux、山田菜美子、菊地和也
  • Organizer: 日本分子イメージング学会 第17回学術集会
• [Presentation] Development of 19F Magnetic Resonance Imaging Probe for in vivo Sensing Biomarkers (2022)
  • Author(s): Masafumi Minoshima
  • Organizer: ASBIC10
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] β-ラクタマーゼ阻害剤を用いた タンパク質ラベル化プローブの開発とオートファジー検出への応用 (2022)
  • Author(s): 蓑島維文、梅野太朗、門岡康平、菊地和也
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会第16回年会
• [Presentation] 入れ替わり可能な蛍光プローブを用いた タンパク質標識法の開発 (2022)
  • Author(s): 蓑島維文、Shahi Imam Reja, 粟津利邦、神原丈敏、飯嶋康平、岨稔康、岡田康志、菊地和也
  • Organizer: 第16回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] 入れ替わり可能な蛍光標識法を利用した分子モーター解析 (2022)
  • Author(s): 蓑島維文
  • Organizer: 第11回分子モーター討論会
  • Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] タンパク質間相互作用を可視化する方法 (2024)
  • Inventor(s): 蓑島維文、Jiatong Li、菊地和也
  • Industrial Property Rights Holder: 蓑島維文、Jiatong Li、菊地和也
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2024
• [Patent(Industrial Property Rights)] タンパク質を蛍光標識する方法 (2023)
  • Inventor(s): 蓑島維文，飯嶋航平，Shahi Imam Reja，菊地和也
  • Industrial Property Rights Holder: 蓑島維文，飯嶋航平，Shahi Imam Reja，菊地和也
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2023-034762
  • Filing Date: 2023