2018 Fiscal Year Annual Research Report
Organic chemistry-based approaches for biomolecules modification under multimolecular crowding biosystems
| Project Area | Chemical Approaches for Miscellaneous / Crowding Live Systems |
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| Project/Area Number |
17H06348
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
浜地 格 京都大学, 工学研究科, 教授 (90202259)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 生体関連化学 / 分子夾雑 / 生命化学 / ケミカルバイオロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現在までに、申請者がこれまでの研究で見いだした特異的タンパク質修飾戦略に基づいて、分子夾雑環境で機能する新しい有機化学反応の探索を行い、その反応特性 (反応速度論、官能基選択性) を明らかにした。リガンド指向性化学に関しては、新規に見いだしたN-acyl-N-alkyl sulfonamide (NASA) を反応基とするタンパク質化学修飾反応が、従来最速として報告されているbioorthogonal反応（Clickや逆電子要請型Diels Alder反応）に匹敵する反応速度定数とアミノ酸側鎖官能基選択性を示す事を見いだした。また、本反応が様々な内在性細胞内タンパク質や細胞膜受容体の特異的化学修飾反応に適用可能であることを明らかにした。さらに、リガンド指向性 NASA化学の適用により、多くの癌細胞治療において標的となっている内存性 HSP90 の活性を効果的かつ不可逆的に阻害可能なコバレントインヒビターの設計を世界に先駆けて達成した。細胞内環境依存的ラベル化技術に関しては、オルガネラへの局在化モチーフと、生体分子と反応する反応基を連結した「オルガネラ局在型反応性分子（ORM）」を設計し、特に核、ミトコンドリア、小胞体という三つのオルガネラにORMを局在させ、各オルガネラに存在するタンパク質群をオルガネラ選択的に同時ラベル化し、プロテオミクスとイメージングによって解析する基本戦略を確立した。また、近年、生体内シグナル分子として注目される一酸化窒素に応答して活性化し、周辺のタンパク質と反応する「環境応答性反応分子」の開発に成功した。さらに、多成分複合型超分子自己集合体の利用により分子夾雑系を人工構築する方法論の開発を行った。具体的には、分子会合様式が異なるゲル化剤ペアが形成するダブルネットワーク型ヒドロゲルを用いて、レオロジー特性や内包物質放出速度の双方向制御等を実現した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成３０年度に計画していた研究目標を進展することができ、計画研究・方法が概ね順調に進行しているものと判断している。特に、細胞内や生体組織といった分子夾雑環境下に適用可能な新規リガンド指向性 NASA 化学反応や、細胞内小器官特異的なタンパク質動的変化を網羅的に追跡可能な細胞内環境依存的ラベル化技術を開発することができ、「分子夾雑の化学」という新しい学問分野の創造に有機化学から貢献しているものと自負している。また当初に設定した計画に、「多成分複合型超分子自己集合体の利用により、分子夾雑系を人工的にデザインし、その機能を独立に制御する方法論の開発」を新たに追加した。これから得られた知見は、分子夾雑環境の構成的理解につながるだけでなく、細胞内や生きた動物個体中のような分子夾雑環境下で使用可能な新規機能性ソフトマテリアルや診断材料へと波及するものと期待できる。これらの成果の多くが世界トップレベルの論文誌へ掲載され、プレスリリースもあることは、研究計画の達成度の高さを示唆している。しかしながら、リガンド指向性 NASA 化学のみでは、分子夾雑系における細胞解析に適用困難な場合も想定されるため、タンパク質表面での有機反応に適用可能な新反応系のさらなる探索を今後進める。また、細胞内オルガネラの機能と役割を分子レベルで理解するためには、タンパク質の動態解析のみでは不十分と予測されることから、これまでに開発した細胞内環境依存的ラベル化技術をさらに進展させることで、細胞オルガネラを構成する生体分子群（脂質等）の分子夾雑環境下での時空間依存的かつ網羅的解析を目指す。加えて、「環境応答性反応分子」によるプロテオミクスに関しては、鉄、銅といった金属イオンや過酸化水素等の活性酸素種応答への拡張を試みる。また、多成分夾雑システムの人工構築では、合成高分子やタンパク質・酵素の取り込みによる機能化へと進む。
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| Strategy for Future Research Activity |
今回、我々が新規に見いだしたリガンド指向性NASA化学の分子夾雑環境下で適用可能な有機化学反応としてのさらなる最適化と拡張を目指す。これまでに開発した細胞内環境依存的ラベル化技術をさらに進展させることで、様々な細胞オルガネラ (ER, ミトコンドリア, 核等) を構成する生体分子群 (特にタンパク質や脂質) の分子夾雑環境下での網羅的解析を目指す。「環境応答性反応分子」によるプロテオミクスに関しては、鉄、銅といった金属イオンや過酸化水素等の活性酸素種応答によるプロテオミクスへの拡張を試みる。また、多成分夾雑システムの人工構築では、合成高分子やタンパク質・酵素の取り込みによる機能化へと進む。加えて、分子夾雑環境下で適用可能な有機化学のさらなる開拓を目指し、様々なヘテロ原子を含む求核置換反応、芳香族求電子置換反応、ラジカル反応や、遷移金属元素を用いた触媒系を活用した、タンパク質表面での修飾反応を検討する。さらに、特異的な共有結合ラベル化法と質量分析技術を組み合わせて、薬剤標的タンパク質の同定技術も開発する。最終的には、これまでの知見をまとめて統合化し、生細胞内分子夾雑の有機化学に関する重要な要素や分子設計指針を確立する。具体的には、これまでに得られた知見に基づくラベル化剤分子設計やラベル化条件の最適化によって、実用的レベルで高効率かつ確度の高いタンパク質ラベル化技術を確立し、内在性タンパク質の生細胞内その場解析を実現する。さらに、細胞内環境依存的ラベル化技術や環境応答性反応分子を用いて病態モデル細胞と正常細胞間でのオルガネラ構成成分や細胞内環境の差異を定量化し、これらの状態異常が引き起こす疾患の分子メカニズムを明らかにする。また、細胞内や生きた動物個体内における多成分頬雑システムの人工構築と機能発現を試み、新規生体適合性ソフトマテリアルや薬剤放出システムとしての応用を目指す。
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