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2019 Fiscal Year Annual Research Report

Quantitative understanding of the mechanism of G1-S phase checkpoint regulated by ERK signal

Research Project

Project/Area Number 18H02444
Research InstitutionCenter for Novel Science Initatives, National Institutes of Natural Sciences

Principal Investigator

青木 一洋  大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 教授 (80511427)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
KeywordsERK / Akt / チェックポイント / 光遺伝学
Outline of Annual Research Achievements

細胞周期はすべての生命にとって必要不可欠な現象であり、細胞周期の制御機構は精力的に解析が進められてきた。とくに外部の栄養状態などを認識し、細胞周期を進めるかどうかを決定するG1-S期チェックポイントは基礎的にも臨床的にも重要である。この分子機構としては、成長因子によって古典的MAPキナーゼであるERKが活性化し、サイクリンDの発現、RBのリン酸化、E2Fによる遺伝子発現を介してG1-S期のチェックポイントが進行することが報告されている。しかし、連続的(アナログ的)に変動するERK活性がどのようにして離散的(デジタル的)で不可逆なG1-S期チェックポイントを誘導するのか、とくにその閾値の決定機構については全く明らかになっていない。本研究では、生細胞イメージングによるERK活性と細胞周期関連因子を可視化、定量化し、G1-S期チェックポイントのアナログ-デジタル変換による閾値決定機構を明らかにすることを目的とする。
本年度は、ERKとAktのレポーターと細胞周期レポーターの同時タイムラプスイメージングとその解析、RBのFRETバイオセンサーの構築、光遺伝学による細胞周期の操作を行った。MCF-10A細胞にERK、Aktのレポーターと細胞周期のレポーターを導入し、数日間にわたるタイムラプスイメージングを行い、画像解析によりデータを取得した。AktはERKと同様に確率的に活性化する発火現象を示すこと、またERKとAktの活性に強い相関があるが、S期においてERKとAktの活性が相関しない部分があることが分かった。RBのFRETバイオセンサーも開発しており、RBのリン酸化状態を反映してFRETが変化するということが分かってきた。光遺伝学によりERKとAktをそれぞれ別々に活性化できる系を開発した。その結果、ERKとAktを両方活性化させるとG1-S期を進行できることが分かった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ERKとAktの長時間イメージングの実験系は立ち上がった。またRBのFRETバイオセンサーはこれまでに全く報告されておらず、非常に価値がある研究結果が得られつつある。また、光遺伝学によりERK、Aktを単独で活性化した場合には細胞周期の進行が見られなかったが、両方を活性化させるとG1/S期進行を効率よく引き起こすことが出来たことは、新規性がある結果を取得することが出来た。これらの理由により、本研究課題はおおむね順調に進展していると結論づけた。

Strategy for Future Research Activity

ERKとAkt、細胞周期状態の長時間タイムラプスイメージングの結果を統計解析し、ERKやAkt活性のどのような動態が細胞周期の進行に寄与するのかを定量的に示す。光遺伝学により、ERKやAktの活性化のダイナミクスを操作し、より効率よく細胞周期を進行させることが出来るかどうか検討する。RBのFRETバイオセンサーについては、CDKによってリン酸化されるサイトをすべてアラニンに置換した変異体を用いることで、FRET効率の変化にCDKによるリン酸化が関与しているのかどうかを検証する。

  • Research Products

    (10 results)

All 2020 2019

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 7 results)

  • [Journal Article] Engineering Orthogonal, Plasma Membrane-Specific SLIPT Systems for Multiplexed Chemical Control of Signaling Pathways in Living Single Cells2020

    • Author(s)
      Nakamura Akinobu、Oki Choji、Kato Kenya、Fujinuma Satoko、Maryu Gembu、Kuwata Keiko、Yoshii Tatsuyuki、Matsuda Michiyuki、Aoki Kazuhiro、Tsukiji Shinya
    • Journal Title

      ACS Chemical Biology

      Volume: 15 Pages: 1004-1015

    • DOI

      10.1021/acschembio.0c00024

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Improved secretion of glycoproteins using an N-glycan-restricted passport sequence tag recognized by cargo receptor2020

    • Author(s)
      Yagi Hirokazu、Yagi-Utsumi Maho、Honda Rena、Ohta Yusaku、Saito Taiki、Nishio Miho、Ninagawa Satoshi、Suzuki Kousuke、Anzai Takahiro、Kamiya Yukiko、Aoki Kazuhiro、Nakanishi Mahito、Satoh Tadashi、Kato Koichi
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 11 Pages: 1-9

    • DOI

      10.1038/s41467-020-15192-1

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Single-cell quantification of the concentrations and dissociation constants of endogenous proteins2019

    • Author(s)
      Komatsubara Akira T.、Goto Yuhei、Kondo Yohei、Matsuda Michiyuki、Aoki Kazuhiro
    • Journal Title

      Journal of Biological Chemistry

      Volume: 294 Pages: 6062~6072

    • DOI

      10.1074/jbc.RA119.007685

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Live-cell quantification of the concentration and dissociation constant of endogenous proteins by a combination of CRISPR/Cas9 genome editing and FCS/FCCS.2019

    • Author(s)
      Kazuhiro Aoki
    • Organizer
      Interface between Immunology & Quantitative Biology
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 細胞内シグナル伝達系の 可視化、定量化、光操作2019

    • Author(s)
      青木一洋
    • Organizer
      大阪大学蛋白質研究所セミナー がん研究の新機軸
    • Invited
  • [Presentation] 生細胞イメージングによる細胞内シグナル伝達系の可視化、定量化、操作2019

    • Author(s)
      青木一洋
    • Organizer
      第9回光科学異分野横断萌芽研究会
    • Invited
  • [Presentation] 生細胞イメージングによるJNK活性の細胞間不均一性と確率的な細胞死の可視化2019

    • Author(s)
      青木一洋
    • Organizer
      第92回日本生化学会大会
    • Invited
  • [Presentation] 遺伝子技術と生細胞イメージングによる内在性分子濃度と解離定数の定量化2019

    • Author(s)
      青木一洋
    • Organizer
      第60回日本組織細胞化学会総会・学術集会
    • Invited
  • [Presentation] Visualization and manipulation of cell signaling2019

    • Author(s)
      Kazuhiro Aoki
    • Organizer
      The 2nd NIBB-Princeton Joint Symposium Imaging and Quantitative Biology
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] イメージングによる細胞内シグナル伝達の定量化と操作2019

    • Author(s)
      青木一洋
    • Organizer
      第42回日本分子生物学会年会
    • Invited

URL: 

Published: 2021-01-27  

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