2022 Fiscal Year Annual Research Report
受容体分子の時空間ダイナミクスの統合的理解による新規薬剤スクリーニングの基盤構築
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22H02593
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
廣島 通夫 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 上級研究員 (20392087)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 大規模1分子計測 / １分子生体情報学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
細胞応答に関与する細胞膜受容体において、分子の構造／動態／活性化が密接に関わりながら変化し下流シグナル経路を活性化する過程を、蛍光1分子イメージングによる大規模計測から分子状態を解析する手法を用いて感度良く捉え、一連の分子現象の時空間ダイナミクスを網羅した描像を提示する。分子レベルでのシグナル伝達のプロセスを、今までの知見のミッシングリンクを埋めて明らかにする。さらに得られた情報を基に1分子動態を指標とした新規の薬剤スクリーニングが可能となることから、実際に応用しその有用性を実証する。
本研究では重大な疾病にも関わる上皮成長因子受容体（EGFR）を扱い、シグナル伝達時の分子状態（動態と多量体形成）を知るため、野生型と構造変異体について計測した1分子の軌跡・輝点強度データを隠れマルコフモデルに基づく機械学習手法により解析している。計測は、リガンドとリン酸化阻害剤の濃度、およびリガンド添加後の時間それぞれ数段階設定し、構造変異体としては細胞内外の領域や二量体形成に必要な部位など欠損させたEGFRの細胞株を作成して用いており、いくつか新たな知見が得られている。なお、これらの試料や計測条件の組み合わせについて十分なデータ数を得るためには膨大な計測が必要となる。そこで、我々が開発した全自動化細胞内1分子イメージングシステムを用いて大規模計測を行っている。こうして得られた知見を基に、今後この計測・解析系が薬剤スクリーニングに応用できるか検証する。非小細胞肺癌で多く見られるEGFRの癌変異体L858Rや、抗癌剤gefitinibによる治療で生じる薬剤耐性二重変異体 L858R/D761Y、L858R/T790Mなどについて構造変異体と同様の計測を行ない、野生型や構造変異体との差異を定量的に評価し、薬剤の効果を効果的に検出可能な指標を探索する。
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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
構造変異体の計測では、当初予定していた細胞内領域、二量体化アーム、細胞外領域それぞれを欠損させたEGFR（ΔICD, ΔArm, ΔECD）のうち、ΔICDとΔArmについては順調に計測が進んでおり、新しい知見も得られてきた。また、分子構造に起因する動態がシグナル伝達にどう影響しているか、より詳細に探るため、さらに細胞内領域と二量体化アームを二重に欠損させた分子（ΔICD／ΔArm）や、膜貫通ドメインの二量体間相互作用部位に変異を導入した分子（TM646, TM647）についても細胞株を作成し計測を進めており、当初の想定以上のデータが得られている。これらに加え、現在、膜貫通ドメインのみの変異体（TM）やC末のリン酸化領域のみ欠損させた変異体（ΔCtail）の細胞株の作成に取り掛かっており、EGFR各ドメインが動態や多量体形成に与える影響とシグナル伝達における役割をより正確に解析する。なお、ΔECDについては細胞外領域を全て削った変異体を構築していたが、細胞での発現に問題があることから方針を変更し、影響のない範囲で当該領域を欠損させた変異体の構築を進めることとなった。
また、スクリーニングへの応用を見据えた癌変異体の計測では、当初予定していたL858Rや薬剤耐性の二重変異体 L858R/D761YやL858R/T790Mに加え、二重変異株に効果のある薬剤に対して耐性を持つ三重変異株L858R/T790M/C797Sも細胞株を作成して計測を行っており、期待された効果が見られているとともに、耐性のメカニズムとの関連が示唆される結果も得られつつある。
さらに本研究の開始前、分子状態の大規模解析は運動状態のみ推定が可能であったが、会合体サイズの推定も可能なようにプログラムの改良を行った結果、解析により得られる情報が増え分子状態を定量的に表すマップの作成が可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度に引き続き、EGFRの構造変異体の構築と発現細胞株の作成、それらの1分子イメージングによる計測・解析を進め、シグナル伝達の調節機構における分子構造と動態の寄与を探る。変異体の種類は当初計画より増え7種類、リガンドと阻害剤濃度は当初予定では6-7段階、時間は10秒枚の5段階であり、また観測細胞数はEGF刺激前後で >100細胞程度必要となる。従って計測では相当な量のデータ取得が必要となるが、我々の全自動1分子イメージングシステムを使用することで2023-2024年度での完了を目指す。得られたデータから分子状態の解析を行い、EGFRの構造や局在、会合体サイズ、また細胞環境を統合的に記述し、また経時変化を追うことで、リガンド結合やリン酸化に伴う変化が、いつ、どこで、どのように生じるか、定量的指標と共に明らかにする。
さらに薬剤スクリーニングへの応用を念頭に、癌変異体を用いた計測も2022年度同様に進める。多量体サイズの定量も可能となった改良版の解析プログラムを用いて分子状態の平均マップを作成し、構造や環境を感度良く反映する有効なスクリーニング指標を見出す。またここで得られた知見を前項のEGFRによるシグナル伝達調節の統合的理解にも役立てる。加えて、薬剤スクリーニングの実証実験を一般市販薬のライブラリ（FDA承認薬ライブラリなど）を癌変異体に使用し、手法の有効性を評価する。
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Research Products
(5 results)
