2017 Fiscal Year Annual Research Report
Manipulation of signal transduction by light in C. elegans
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17H07406
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| Research Institution | Okazaki Research Facilities, National Institutes of Natural Sciences |
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Principal Investigator |
小田 茂和 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(岡崎共通研究施設), 岡崎統合バイオサイエンスセンター, 特任研究員 (40802848)
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| Project Period (FY) |
2017-08-25 – 2019-03-31
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| Keywords | 光遺伝学 / シグナル伝達 / C. elegans / 光誘導性二量体化システム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
チャネルロドプシンなどの細胞電位を制御する光遺伝学技術の開発と応用は培養細胞や多細胞生物で進んでいるが、シグナル伝達系を制御するための光遺伝学技術については発展途上の段階である。特に、多細胞生物での技術開発と応用はほとんど行われていない。そこで、本研究では光誘導性二量体化（Light-Induced Dimerization, LID）システムの一つであるPhytochrome B -PIFシステムを線虫Caenorhabditis elegansへ導入し、そのシステムを分子、細胞および個体レベルでの同時解析に応用する。平成２９年度においては、線虫へのPhyB-PIFシステムの導入を行うことを計画しており、実際に導入することに成功した。
PhyB-PIFシステムを機能させるには、発色団であるPhycocyanobilin (PCB)が必要である。そこで、まずは精製PCBを外部から添加した時に線虫の体全体へ浸透するかそれを餌に混ぜて検証した。検証には、PhyBの変異体でかつPCBを結合すると赤色光を発するPhyB Y276Hを線虫の腸管、神経系および筋肉に発現させて用いた。結果、外部添加したPCBは腸にのみしか十分浸透しなかった。そこで、開発に携わった４つの遺伝子（PcyA, HO1, Fd, Fnr）導入によるPCB細胞内合成システムを用いたところ(Uda Y et al. PNAS 2017)、神経系、筋肉と腸管で合成されたPCBが見られた。実際に、PCBが合成されている腸管内において、630 nmの赤色光でPhyBとPIFが二量体を形成し、750 nmの近赤外光でそれらが解離することを蛍光イメージングにより確認した。以上のことから、PCBを外部添加しても線虫の体内に浸透しずらいことが判明した。従って、線虫でPhyB-PIFシステムを腸管以外で利用するにはPCB細胞内合成システムが必須であることが分かった。これは、他の動物でも同様かもしれない。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
PhyB-PIFシステムとPCB細胞内合成システムの線虫C. elegansへの導入を同時に行うことに成功した。また、PhyB-PIFシステムの２量体化を光照射で検証する際、多量体タンパク質(MP multimeric protein)を用いてタンパク質凝集の有無を観察した。これにより、遺伝子にコードされたPCB合成システムとPhyB-PIFシステムが線虫で機能すること、またこの２両体化システムとMPを用いればタンパク凝集を制御できることを初めて示した。以上のことから、PhyB-PIFシステムはPCB合成システムと併用すれば、多細胞生物でもシグナル伝達の光操作のために効率よく使える可能性が高いことが示された。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初は、神経筋接合部位でのGABA受容体の解析にPhyB-PIFシステムを応用する予定であった。しかし、それよりも分子と行動の定量的な関係性を調べる研究にそのシステムを応用した方がより説得力のある定量的手法を提案できるのではないかと考えた。
平成30年度においては、導入されたPhyB-PIFシステムを用いて、線虫の化学走性に応用し、分子と化学走性の新たな関係性を明らかにする。それにより、分子と表現型の定量的解析手法を提案する。
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