2019 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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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 / 細胞内有機化学 / リガンド指向性化学 / 超分子化学 |
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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、その反応特性を明らかにしてきた。リガンド指向性化学に関しては、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、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ている。本年度は、リガンド指向性NASA化学の応用により、多くの癌細胞治療において標的となっている内存性p53および HDM2間タンパク質相互作用を細胞質内といった分子夾雑下において、特異的に阻害可能な小分子コバレントインヒビターを開発することに成功した。細胞内オルガネラ特異的ラベル化技術に関しては、オルガネラ局在化モチーフと生体直交的 click反応を組み合わせることで、細胞内に代謝導入されたアジド化コリン分子をオルガネラ特異的にラベル化し、イメージングによって細胞内脂質移動過程を高い時間分解脳と空間分解能で解析する手法を世界に先駆けて開発した。以上の成果に加えて、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し、その形成機構について超解像共焦点レーザー顕微鏡を用いて高い空間解像度と時間分解能でその場解析する方法論を確立するにいたっている。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
2019および2020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リガンド指向性 NASA 化学を用いた新規薬剤候補スクリーニング手法や、高い時空間分解能と細胞内オルガネラ選択性をもった細胞な局所依存的脂質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出来ている。また実験計画に追加した「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」についても総括班CIBICに導入した超解像共焦点顕微鏡を積極的に活用した蛍光イメージング解析によって、その形成制御過程や超分子材料としての機能に関する興味深い知見が得られている。以上の成果は、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、国際学会を含む多くの学会で論文発表を行っていていることは、研究計画の達成度の高さを示している。今後は、リガンド指向性NASA化学の応用を目指し、他のいくつかの癌関連タンパク質の活性を特異的に阻害可能なコバレントインヒビターを開発し、阻害の速度論と癌細胞増殖抑制効果の相関を調べる。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、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他の生体分子群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。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と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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| Remarks |
京都大学浜地研究室ホームページ
http://www.sbchem.kyoto-u.ac.jp/hamachi-lab/
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