ケミカルバイオロジーと遺伝子編集技術の融合による細胞周期の構成的な理解

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19J01341
• Research Institution: Center for Novel Science Initatives, National Institutes of Natural Sciences
• Principal Investigator: 中村 彰伸 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, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Keywords: 局在性リガンド / 細胞周期 / シグナル制御

Outline of Annual Research Achievements

細胞周期を小分子化合物で制御することを目的として研究を進めている。細胞周期に関連する分子（細胞周期制御因子）やそのシグナル伝達系には多くのフィードバック反応が含まれており、その系のもつ特徴的な時定数よりも早い摂動を行い、かつその挙動をサンプリングする必要がある。また細胞周期は１細胞ごとに不均一であることから、タイムラプスイメージングと小分子化合物を用いた摂動による解析を計画している。
当該年度は、細胞周期関連因子に摂動を与えるための小分子化合物の開発と哺乳類培養細胞での評価を行った。大腸菌由来ジヒドロ葉酸還元酵素（eDHFR）に結合し、eDHFRの細胞膜局在化を長時間（24時間以上）誘導できる局在性TMPリガンド（mDcTMP）を開発し、Proof-of-conceptとしてERK経路やPI3K経路といった細胞膜を起点とするシグナル伝達経路の活性を長時間制御することに成功した。本結果は、筆頭著者として当該年度に発表している。
この局在性リガンドによる細胞内タンパク質の局在制御技術の分裂酵母への適用を現在進めており、分裂酵母においてeDHFR融合タンパク質の細胞内局在の急速操作が可能になりつつある。現在、さまざまな細胞周期制御因子にeDHFR遺伝子をノックインし、小分子化合物による細胞周期の制御を試みている。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当該年度は、細胞周期関連因子に摂動を与えるための小分子化合物の開発と哺乳類培養細胞での評価を行った。大腸菌由来ジヒドロ葉酸還元酵素（eDHFR）に結合し、細胞内局在の移行を誘導できる局在性リガンドを開発し、Proof-of-conceptとしてERK経路やPI3K経路といった細胞膜を起点とするシグナル伝達経路を特異的に活性化することに成功した。これらの結果は、ACS Chemical Biology誌に筆頭著者として当該年度に発表している。
この局在性リガンドによる細胞内タンパク質の局在制御技術の分裂酵母への適用を現在進めており、分裂酵母においてeDHFR融合タンパク質の細胞内局在の急速操作が可能になりつつある。これらの結果から、当該年度は期待以上の研究の進展があったと考える。

Strategy for Future Research Activity

分裂酵母においてeDHFR融合タンパク質の細胞内局在の急速操作による細胞周期の制御を目指す。現在、さまざまな細胞周期関連因子にeDHFR遺伝子をノックインし、小分子化合物による細胞周期制御を試みている。必要に応じて、局在性リガンドの分子設計を分裂酵母用に最適化する。

Research Products

• [Journal Article] Hoechst-tagged Fluorescein Diacetate for the Fluorescence Imaging-based Assessment of Stomatal Dynamics in Arabidopsis thaliana (2020)
  • Author(s): Yousuke Takaoka, Saki Miyagawa, Akinobu Nakamura, Syusuke Egoshi, Shinya Tsukiji, Minoru Ueda
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 5333
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-020-62239-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Designer Palmitoylation Motif-Based Self-Localizing Ligand for Sustained Control of Protein Localization in Living Cells and Caenorhabditis elegans (2020)
  • Author(s): Akinobu Nakamura, Choji Oki, Shunsuke Sawada, Tatsuyuki Yoshii, Keiko Kuwata, Andrew K. Rudd, Neal K. Devaraj, Kentaro Noma, Shinya Tsukiji
  • Journal Title: ACS Chemical Biology Volume: 15 Pages: 837～843
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acschembio.0c00014
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Engineering Orthogonal, Plasma Membrane-Specific SLIPT Systems for Multiplexed Chemical Control of Signaling Pathways in Living Single Cells (2020)
  • Author(s): Akinobu Nakamura, Choji Oki, Kenya Kato, Satoko Fujinuma, Gembu Maryu, Keiko Kuwata, Tatsuyuki Yoshii, Michiyuki Matsuda, Kazuhiro Aoki, Shinya Tsukiji
  • Journal Title: ACS Chemical Biology Volume: 15 Pages: 1004～1015
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acschembio.0c00024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemogenetic Control of Protein Anchoring to Endomembranes in Living Cells with Lipid-Tethered Small Molecules (2019)
  • Author(s): Akinobu Nakamura, Rika Katahira, Shunsuke Sawada, Eri Shinoda, Keiko Kuwata, Tatsuyuki Yoshii, Shinya Tsukiji
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 59 Pages: 205～211
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acs.biochem.9b00807
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Multiplexed chemical control of signaling pathways in living cells by orthogonal self-localizing ligand (SL)-induced protein translocation (SLIPT) (2020)
  • Author(s): Akinobu Nakamura, Choji Oki, Gembu Maryu, Tatsuyuki Yoshii, Michiyuki Matsuda, Kazuhiro Aoki, Shinya Tsukiji
  • Organizer: 8th Annual Winter q-bio conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 経時寿命を延長する分裂酵母変異株のスクリーニングと新規寿命関連因子の同定 (2020)
  • Author(s): 松井滉太朗、岡本啓佑、長谷川朋香、島崎嵩史、大塚北斗、井原邦夫、中村彰伸、後藤祐平、青木一洋、饗場 浩文
  • Organizer: 第14回日本ゲノム微生物学会年会
• [Presentation] 蛍光集積を指標とした動物細胞内タンパク質-薬剤相互作用検出 (2020)
  • Author(s): 鈴木祥央、生田雅裕、中村彰伸、吉井達之、築地真也
  • Organizer: 日本薬学会第140年会
• [Presentation] Development of nucleus-specific fluorescent dyes and nucleus imaging of mammalian and plant cells (2019)
  • Author(s): Akinobu Nakamura, Shinya Tsukiji, Kazuhiro Aoki
  • Organizer: Joint Meeting for Young Researchers on -Frontiers in Imaging Probes and Technologies-
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞膜インナーリーフレットに局在する合成リポペプチドモチーフ (2019)
  • Author(s): 澤田隼佑、吉川優、中村彰伸、吉井達之、築地真也
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会第14回年会
• [Presentation] 細胞内タンパク質の局在を動かすオプトケミカルジェネティクス (2019)
  • Author(s): 吉井達之、沖超二、中村彰伸、築地真也
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会第14回年会
• [Presentation] Chemical tools for controlling protein localization in living cells (2019)
  • Author(s): Shinya Tsukiji, Akinobu Nakamura, Choji Oki, Tatsuyuki Yoshii
  • Organizer: 10th Joint RSC-CSJ Symposium: Chemistry for Complex Biological Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 化学的アプローチによるタンパク質局在の光操作 (2019)
  • Author(s): 吉井達之、沖超二、中村彰伸、築地真也
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
• [Presentation] Multiplexed chemical control of signaling pathways by orthogonal self-localizing ligand-induced protein translocation (SLIPT) systems (2019)
  • Author(s): Akinobu Nakamura, Choji Oki, Gembu Maryu, Tatsuyuki Yoshii, Michiyuki Matsuda, Kazuhiro Aoki, Shinya Tsukiji
  • Organizer: The 2nd NIBB-Princeton Joint Symposium Imaging and Quantitative Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SLIPT and photoSLIPT: chemical and optochemical tools for controlling protein localization in living cells (2019)
  • Author(s): Shinya Tsukiji, Akinobu Nakamura, Choji Oki, Tatsuyuki Yoshii
  • Organizer: Resonance Bio International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] Google Scholar
  • URL: https://scholar.google.co.jp/citations?hl=en&user=LP5rmmUAAAAJ
• [Remarks] ResearchGate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Akinobu_Nakamura4