タンパク質の非平衡状態構造解析を可能にするケミカル光制御法の開発

• Project Area: Non-equilibrium-state molecular movies and their applications
• Project/Area Number: 19H05778
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 清中 茂樹 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (90422980)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 永澤 秀子 岐阜薬科大学, 薬学部, 教授 (90207994) ; 古田 寿昭 東邦大学, 理学部, 教授 (90231571)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥133,640,000 (Direct Cost: ¥102,800,000、Indirect Cost: ¥30,840,000); Fiscal Year 2023: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000); Fiscal Year 2022: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000); Fiscal Year 2021: ¥25,220,000 (Direct Cost: ¥19,400,000、Indirect Cost: ¥5,820,000); Fiscal Year 2020: ¥26,650,000 (Direct Cost: ¥20,500,000、Indirect Cost: ¥6,150,000); Fiscal Year 2019: ¥30,290,000 (Direct Cost: ¥23,300,000、Indirect Cost: ¥6,990,000)
• Keywords: ケミカルバイオロジー / ケージド化合物 / 光制御 / ケージド

Outline of Research at the Start

本研究では、ケミカルバイオロジー手法を駆使して、光応答能を有さない酵素・受容体に対する「ケミカル光制御法」を開発する。具体的には、光照射で活性種を産生できる光作動性ケージド化合物、タンパク質ケミカルラベル、ピコ秒の反応速度で光異性化するフォトクロミック分子などのケミカルバイオロジー的手法により、観測したい反応時間に適したタンパク質のケミカル光制御法を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

清中は、アデノシンA2A受容体（A2AR）の光スイッチングに向けた研究に着手した。具体的には、アゾベンゼンを有するリガンドを用いて、光照射前後で活性がON/OFFできるシステムを構築し、岩田班との連携で光速分子動画解析するという流れである。A2AR光制御リガンドは報告例があるものの、親和性がかなり低く、結晶化しても低解像度の結果しか得られなかった。そこで、解像度の向上を目指し、親和性を向上させた複数の光スイッチング型リガンドの設計及び合成を行った。活性制御に関しては改善の余地があるが、大幅に親和性を向上できるリガンドを得ることができた。
古田は、光トリガーとしてのケージド化合物の開発を継続した。ケージド化合物の光反応性を犠牲にすることなく、化学修飾で新たな機能を付与することで、光トリガーとしての有用性の拡張を試みた。予め選択した酵素存在下で光反応性をスイッチングできる光解離性保護基を複数種類開発し、ヒストン脱アセチル化酵素阻害剤等のケージド化合物合成に応用した。受容体のケミカルラベルを可能にするモジュール型ケージドグルタミン酸の合成も完了した。２光子励起とアップコンバージョンを利用する、近赤外光作動性ケージド化合物の探索にも着手した。
永澤は、pepducinを基盤とする化学標識プローブ分子の合成を行い、血小板凝集阻害効果を指標としてスクリーニングを実施した。得られたプローブを洗浄血小板に作用させたところ、複数の特異的な蛍光バンドが得られたので、それらのペプチドマッピングを行う予定である。細胞内の酸化ストレス解析ツールとして、ヘムと特異的に反応して蛍光を発する新規プローブ及びミトコンドリア局在型ケージド過酸化物の開発に成功した。また、永野班のDiels Alder反応酵素Fsa-2の基質エナンチオマーの合成を達成したので、永野らに供与し、今後は共結晶の作成と解析に取り組む。

Current Status of Research Progress

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

Reason

昨年度に引き続き、研究代表者および研究分担者ともに密に連携を取りながら、効率的に研究を進めた。関連する配位ケモジェネティクス論文に関しては、論文がアクセプトされた。

Strategy for Future Research Activity

今年度の研究成果に基づき、今後も上記の研究計画内容を展開させる。ケージド化合物の高速分子動画に関しては南後班との強い連携、受容体光スイッチングに関しては岩田班との連携を取りながら研究を進めていく。現在、定期的に打ち合わせを取りながら進めているが、来年度以降はタンパク質の結晶化に向けて研究を展開する。

Research Products

• [Journal Article] Chemogenetics of cell surface receptors: beyond genetic and pharmacological approaches (2022)
  • Author(s): Yuta Miura, Akinobu Senoo, Tomohiro Doura, Shigeki Kiyonaka
  • Journal Title: RSC Chemical Biology Volume: 3 Issue: 3 Pages: 269-287
  • DOI: 10.1039/d1cb00195g
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Orthogonal activation of metabotropic glutamate receptor using coordination chemogenetics (2022)
  • Author(s): Akinobu Senoo, Yutaro Yamada, Kento Ojima, Tomohiro Doura, Itaru Hamachi, Shigeki Kiyonaka
  • Journal Title: Frontiers in Chemistry Volume: 9 Pages: 825669-825669
  • DOI: 10.3389/fchem.2021.825669
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 配位ケモジェネティクスによる代謝型グルタミン酸受容体の制御 (2022)
  • Author(s): 妹尾 暁暢, 清中 茂樹
  • Journal Title: 化学と工業 Volume: 75 Pages: 115-115
• [Journal Article] Molecular Imaging of Labile Heme in Living Cells Using a Small Molecule Fluorescent Probe (2022)
  • Author(s): Kawai Kanta、Hirayama Tasuku、Imai Haruka、Murakami Takanori、Inden Masatoshi、Hozumi Isao、Nagasawa Hideko
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 144 Issue: 9 Pages: 3793-3803
  • DOI: 10.1021/jacs.1c08485
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design and synthesis of gene-directed caged cyclic nucleotides exhibiting cell type selectivity (2021)
  • Author(s): Suzuki Akinobu Z.、Sakano Taichi、Sasaki Hirona、Watahiki Rei、Sone Masaki、Horikawa Kazuki、Furuta Toshiaki
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 57 Issue: 46 Pages: 5630-5633
  • DOI: 10.1039/d1cc01405f
  • NAID: 120007175419
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ligand-directed two-step labeling to quantify neuronal glutamate receptor trafficking (2021)
  • Author(s): Ojima Kento、Shiraiwa Kazuki、Soga Kyohei、Doura Tomohiro、Takato Mikiko、Komatsu Kazuhiro、Yuzaki Michisuke、Hamachi Itaru、Kiyonaka Shigeki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 831-831
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21082-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design and synthesis of gene-directed caged cyclic nucleotides exhibiting cell type selectivity (2021)
  • Author(s): A. Z. Suzukia, T. Sakano, H. Sasaki, R. Watahiki, M. Sone, K. Horikawa, T. Furuta
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: -
  • NAID: 120007175419
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Construction of a Fluorescent Screening System of Allosteric Modulators for the GABAAReceptor Using a Turn-On Probe (2019)
  • Author(s): Sakamoto Seiji、Yamaura Kei、Numata Tomohiro、Harada Fumio、Amaike Kazuma、Inoue Ryuji、Kiyonaka Shigeki、Hamachi Itaru
  • Journal Title: ACS Central Science Volume: 5 Issue: 9 Pages: 1541-1553
  • DOI: 10.1021/acscentsci.9b00539
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design, Synthesis, and Photochemical Properties of Clickable Caged Compounds (2019)
  • Author(s): Suzuki Akinobu Z.、Shiraishi Yukiko、Aoki Hanami、Sasaki Hirona、Watahiki Rei、Furuta Toshiaki
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 152 Issue: 152
  • DOI: 10.3791/60021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 薬理学ツールから創薬を指向した新奇GPCRケモジェネティクス法の開発 (2022)
  • Author(s): 清中 茂樹
  • Organizer: 第95回日本薬理学会年会
  • Invited
• [Presentation] ヘム選択的蛍光プローブを用いたヘム排出機構およびフェロトーシスにおけるヘム変動の解析 (2022)
  • Author(s): 河合 寛太、平山 祐、位田 雅俊、村上 貴規、辻 美恵子、永澤 秀子
  • Organizer: 日本薬学会第142年会
• [Presentation] Coordination chemogenetics for artificially controlling neurotransmitter receptor function (2021)
  • Author(s): Shigeki Kiyonaka
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Coordination chemogenetics for direct activation of GPCR-type glutamate receptors in brain tissue (2021)
  • Author(s): 清中 茂樹
  • Organizer: 第５９回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Design and synthesis of gene-directed caged compounds (2021)
  • Author(s): Toshiaki Furuta
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] グルタミン受容体動態の定量解析を目指した新たなケミカルラベル (2021)
  • Author(s): 清中 茂樹
  • Organizer: 第94回日本薬理学会年会
• [Presentation] Ligand-directed two-step labeling to quantify AMPA-type glutamate receptor trafficking (2021)
  • Author(s): Kento Ojima,Kyohei Soga, Itaru Hamachi, Shigeki Kiyonaka
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] 光刺激細胞内酸化ストレス誘導化合物の開発研究 (2021)
  • Author(s): 辻 美恵子、青木 達也、平良 遥乃、並木 進、平山 祐、永澤 秀子
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] 細胞膜を標的とした光ケージド過酸化物の開発 (2021)
  • Author(s): 青木達也、辻美恵子、平良遥乃、平山祐、永澤秀子
  • Organizer: 日本酸化ストレス学会東海支部第９回学術集会
• [Presentation] 分子動画撮影の高速トリガーとしてのケージド化合物 (2020)
  • Author(s): 古田 寿昭，佐々木紘那，鈴木 商信
  • Organizer: 第93回日本生化学会大会
• [Presentation] 遺伝子指向性ケージド化合物の設計と合成 (2020)
  • Author(s): 古田寿昭
  • Organizer: 第69回日本感染症学会東日本学術集会・第67回日本化学療法学会東日本支部総会
• [Presentation] Coordination chemogenetics, a new technique for allosteric regulation of membrane receptors (2019)
  • Author(s): Shigeki Kiyonaka
  • Organizer: The 50th NIPS International Symposium “MIRACLES” in Caridiovasucular Physology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 神経伝達物質受容体機能を解き明かすためのケミカルバイオロジー新技術 (2019)
  • Author(s): 清中 茂樹
  • Organizer: 第72回日本薬理学会西南部会（次世代薬理学セミナー）
  • Invited
• [Presentation] グルタミン酸受容体の精密動態を明らかにするためのケミカルラベル化法 (2019)
  • Author(s): 清中 茂樹
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] New chemogenetic approaches for artificially controlling neurotransmitter receptor function in neuronal system (2019)
  • Author(s): Shigeki Kiyonaka
  • Organizer: 10th RSC-CSJ joint symposium -Chemistry for complex biological systems-
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞内酸化ストレス制御を目指した光解除型ケージドTBHP化合物の開発 (2019)
  • Author(s): 〇 辻美恵子、渡辺航、青木達也、平山祐、永澤秀子
  • Organizer: 第14回年会日本ケミカルバイオロジー学会
• [Presentation] 細胞内で機能する光解除型TBHPケージド化合物の開発 (2019)
  • Author(s): 〇青木 達也、辻 美恵子、渡辺 航、平良 遥乃、平山 祐、永澤 秀子
  • Organizer: 日本酸化ストレス学会東海支部第8回学術集会
• [Presentation] ターゲティング可能なケージド化合物の開発と光薬理学への展開 (2019)
  • Author(s): 古田寿昭
  • Organizer: 第41回日本光医学・光生物学会
  • Invited
• [Presentation] 標的細胞にターゲティング可能な遺伝子指向性ケージドアニソマイシンの設計と合成 (2019)
  • Author(s): 佐々木 紘那、古田寿昭
  • Organizer: 日本化学会 第100春季年会
• [Presentation] 標的細胞選択的に光活性化可能な遺伝子指向性ケージド化合物の設計と合成 (2019)
  • Author(s): 青木 花美、古田寿昭
  • Organizer: 日本化学会 第100春季年会
• [Patent(Industrial Property Rights)] 変異型Gタンパク質共役型受容体 (2021)
  • Inventor(s): 清中茂樹、堂浦智裕、長谷川寛太、柏俊太朗
  • Industrial Property Rights Holder: 清中茂樹、堂浦智裕、長谷川寛太、柏俊太朗
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-028956
  • Filing Date: 2021