2017 Fiscal Year Annual Research Report
生物現象の時空間的制御を目指した接着性光スイッチの開発
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16J05845
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
茂垣 里奈 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 分子糊 / 光制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、これまでに開拓してきた分子糊に光応答性スペーサーとタンパク質の阻害剤を組み合わせ、『接着性光スイッチ』を開発する。この接着性光スイッチを細胞内・生体内のタンパク質機能の制御に応用することで、生物現象を時空間的に制御することを目的とする。これまでに、炭酸脱水酵素（CA）を標的酵素とした接着性光スイッチを開拓し、光照射により酵素活性を可逆的に増減させることに成功している。さらに、CA活性の光制御が細胞溶解液中といった夾雑タンパク質存在下でも可能であることを明らかにし、接着性光スイッチの細胞内や生体内への応用可能性に関する重要な知見を得た。また、阻害剤部位の結合が分子糊部位の接着によって増強されていることを実験的に確認し、提唱している接着性光スイッチのメカニズムの妥当性を示した。これらの成果は、当該年度にアメリカ化学会誌にて報告した。
また、接着性光スイッチの細胞内応用を達成する新たな戦略の一つとして、細胞核への輸送タグ『ケージド分子糊』を開発した。分子糊はリン脂質膜や核移行タンパク質へと強く接着することで、高い細胞膜透過性と核移行性を示すことが明らかになっている。そこで、デンドリマー型分子糊のグアニジニウム基を光開裂性保護基で保護し、細胞膜透過性を一時的に抑制したケージド分子糊を開発した。ケージド分子糊は、エンドサイトーシスを介して生細胞に取り込まれるが、光刺激によってエンドソームを脱出し、細胞質を経て速やかに細胞核まで移行する。また、ケージド分子糊をゲスト分子と連結することで、核膜孔よりもサイズの大きい物質を光照射細胞選択的に核へ輸送できることも明らかにした（当該年度にアメリカ化学会誌にて報告済）。接着性光スイッチを導入したタンパク質にケージド分子糊を連結し細胞核へ輸送することで、核内におけるタンパク質機能およびそれを介した生物現象の光制御も実現できる。
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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
接着性光スイッチによる酵素活性の光制御が細胞溶解液中といった夾雑タンパク質存在下でも可能であることを明らかにし、接着性光スイッチの細胞内や生体内への応用可能性に関する重要な知見を得ている。また、細胞核への輸送タグとして『ケージド分子糊』を開発し、接着性光スイッチの細胞内応用への新たな戦略を示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
接着性光スイッチを用いた生物現象の時空間的制御を達成するために、あらかじめ接着性光スイッチを導入したタンパク質を細胞内へ輸送し、細胞機能を制御する。特に、接着性光スイッチを用いて、PI3キナーゼ（PI3K）の活性を光制御し、光照射部位特異的に血管新生を誘導する。生体内への応用を志向し、光応答性スペーサーとして既報および研究者自身が開拓した可視光駆動アゾベンゼンを検討する。光応答性スペーサーを介してPI3K阻害剤を連結した接着性スイッチ共存下、光刺激によってPI3K活性が変化するかを調査する。接着性光スイッチをPI3Kと混合して三次元培養した血管内皮細胞に投与し、光照射部位／非照射部位における管腔形成の有無を調査する。また、接着性光スイッチをPI3Kと混合して輪切りにしたマウス大動脈に添加し、光照射部位特異的な毛細血管形成を観察する。さらに、接着性光スイッチをPI3Kと混合し、ポリマーに吸着させてマウスの角膜に移植する。光照射／非照射部位における血管新生の様子を観察する。
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