生細胞内の生命反応をリアルタイムで捉えるin-cell NMR法の開発と応用

• 研究領域: 動的構造生命科学を拓く新発想測定技術－タンパク質が動作する姿を活写する－
• 研究課題/領域番号: 26119005
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 西田 紀貴 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 准教授 (50456183)
• 研究分担者: 甲斐荘 正恒 首都大学東京, 理学研究科, 客員教授 (20137029)
• 研究協力者: 嶋田 一夫
• 研究期間 (年度): 2014-07-10 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 173,160千円 (直接経費: 133,200千円、間接経費: 39,960千円); 2018年度: 37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円); 2017年度: 37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円); 2016年度: 52,260千円 (直接経費: 40,200千円、間接経費: 12,060千円); 2015年度: 28,340千円 (直接経費: 21,800千円、間接経費: 6,540千円); 2014年度: 16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円)
• キーワード: 核磁気共鳴法 / in-cell NMR / 酸化ストレス / シグナル伝達 / 低分子量GTPase / バイオリアクター / SAIL法

研究成果の概要

本研究では、バイオリアクター型in-cell NMR法を高度化し、細胞内生命現象のリアルタイム観測へ応用した。細胞内の主な抗酸化分子グルタチオンとTrxの両方を安定同位体標識した細胞の調製法を確立し、酸化ストレス添加に伴う酸化還元電位とTrxの酸化還元状態の変化のリアルタイム観測を行い、細胞内における活性制御機構を明らかにした。また、低分子量GTPaseであるRasの活性型（GTP結合型割合）のin-cell NMR観測を行い、野生型および発癌性変異体のいずれにおいても細胞内のGTP型割合はin vitroよりも低く抑えられており、細胞内因子の寄与を定量的に解明することに成功した

研究成果の学術的意義や社会的意義

細胞内は多種多様なタンパク質が複雑なネットワークを形成する分子混雑環境であり、細胞内のタンパク質はin vitroとは異なる構造や活性を示す。本研究ではin-cell NMR法を高度化し、細胞内タンパク質の構造や活性変化をリアルタイム観測する手法を確立して、細胞内酸化ストレスやシグナル伝達タンパク質の活性評価に適用した。本研究成果は、細胞内生命現象の可視化のみならず、細胞内で創薬標的タンパク質に対する候補化合物の薬効を直接評価するツールとしての応用が期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] University of Toronto(カナダ)
• [国際共同研究] University of Toronto(カナダ)
• [国際共同研究] トロント大学(カナダ)
• [国際共同研究] トロント大学(カナダ)
• [国際共同研究] トロント大学(カナダ)
• [雑誌論文] Isotope-Aided Methods for Biological NMR Spectroscopy: Past, Present, and Future (2018)
  • 著者名/発表者名: Kainosho Masatsune、Miyanoiri Yohei、Takeda Mitsuhiro
  • 雑誌名: Experimental Approaches of NMR Spectroscopy 巻: - ページ: 37-61
  • DOI: 10.1007/978-981-10-5966-7_2
  • ISBN: 9789811059650, 9789811059667
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stable-Isotope-Aided NMR Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Yohei Miyanoiri, Mitsuhiro Takeda and Masatsune Kainosho
  • 雑誌名: Modern Magnetic Resonance 巻: NA ページ: 469-486
  • DOI: 10.1007/978-3-319-28388-3_48
  • ISBN: 9783319283876, 9783319283883
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Numb-Mdm2 fuzzy complex reveals an isoform-specific involvement of Numb in breast cancer chemoresistance and progression (2018)
  • 著者名/発表者名: Ivan Nicola Colaluca, Andrea Basile, Veronica D’Uva, Davide Disalvatore, Manuela Vecchi, Stefano Confalonieri, Marina Mapelli, Salvatore Peace, Pier Paolo Di Fiore, Chun-Jiun Yang, Masatsune Kainosho, Michael Sattler
  • 雑誌名: J. Cell Biol. 巻: 217 ページ: 745-762
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Evolution and diversification of the plant gibberellin receptor GID1 (2018)
  • 著者名/発表者名: Hideki Yoshida, Eiichi Tanimoto, Takaaki Hirai, Yohei Miyanoiri, Rie Mitani, Mayuko Kawamura, Mitsuhiro Takeda, Sayaka Takehara, Ko Hirano, Masatsune Kainosho, Takashi Akagi, Makoto Matsuoka, and Miyako Ueguchi-Tanaka
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 115 ページ: 7844-7853
  • 査読あり
• [雑誌論文] Perspective: next generation isotope-aided methods for protein NMR spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Kainosho Masatsune、Miyanoiri Yohei、Terauchi Tsutomu、Takeda Mitsuhiro
  • 雑誌名: Journal of Biomolecular NMR 巻: 71 号: 3 ページ: 119-127
  • DOI: 10.1007/s10858-018-0198-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Balanced Regulation of Redox Status of Intracellular Thioredoxin Revealed by in-Cell NMR (2018)
  • 著者名/発表者名: Mochizuki Ayano、Saso Arata、Zhao Qingci、Kubo Satoshi、Nishida Noritaka、Shimada Ichio
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society (selected as JACS Spotlights) 巻: 140 号: 10 ページ: 3784-3790
  • DOI: 10.1021/jacs.8b00426
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Numb-Mdm2 fuzzy complex reveals an isoform-specific involvement of Numb in breast cancer (2017)
  • 著者名/発表者名: Colaluca Ivan Nicola、Basile Andrea、Freiburger Lee、D'Uva Veronica、Disalvatore Davide、Vecchi Manuela、Confalonieri Stefano、Tosoni Daniela、Cecatiello Valentina、Malabarba Maria Grazia、Yang Chun-Jiun、Kainosho Masatsune、Sattler Michael、Mapelli Marina、Pece Salvatore、Di Fiore Pier Paolo
  • 雑誌名: J Cell Biol 巻: 217 号: 2 ページ: 745-762
  • DOI: 10.1083/jcb.201709092
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pressure dependence of side chain 13C chemical shifts in model peptides Ac-Gly-Gly-Xxx-Ala-NH2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Beck Erlach Markus、Koehler Joerg、Crusca Edson、Munte Claudia E.、Kainosho Masatsune、Kremer Werner、Kalbitzer Hans Robert
  • 雑誌名: J Biomol NMR 巻: 69 号: 2 ページ: 53-67
  • DOI: 10.1007/s10858-017-0134-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structural and Functional Analysis of the C-Terminal Region of FliG, an Essential Motor Component of Vibrio Na + -Driven Flagella (2017)
  • 著者名/発表者名: Miyanoiri Yohei、Hijikata Atsushi、Nishino Yuuki、Gohara Mizuki、Onoue Yasuhiro、Kojima Seiji、Kojima Chojiro、Shirai Tsuyoshi、Kainosho Masatsune、Homma Michio
  • 雑誌名: Structure 巻: 25 号: 10 ページ: 1540-1548
  • DOI: 10.1016/j.str.2017.08.010
  • NAID: 120006375873
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Utilization of paramagnetic relaxation enhancements for structural analysis of actin-binding proteins in complex with actin. (2016)
  • 著者名/発表者名: Huang S, Umemoto R, Tamura Y, Kofuku Y, Uyeda TQP, Nishida N, Shimada I
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 号: 1 ページ: 33690-33690
  • DOI: 10.1038/srep33690
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 13C-NMR studies on disulfide bond isomerization in bovine pancreatic trypsin inhibitor (BPTI) (2016)
  • 著者名/発表者名: Takeda M, Miyanoiri Y, Terauchi T, Kainosho M
  • 雑誌名: J Biomol NMR 巻: 66 号: 1 ページ: 37-53
  • DOI: 10.1007/s10858-016-0055-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Highly efficient residue-selective labeling with isotope-labeled Ile, Leu, and Val using a new auxotrophic E. coli strain (2016)
  • 著者名/発表者名: Miyanoiri Y, Ishida Y, Takeda M, Terauchi T, Inouye M, Kainosho M
  • 雑誌名: J Biomol NMR 巻: 65 号: 2 ページ: 109-119
  • DOI: 10.1007/s10858-016-0042-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Mechanical force effect on the two-state equilibrium of the hyaluronan-binding domain of CD44 in cell rolling (2015)
  • 著者名/発表者名: Suzuki T, Suzuki M, Ogino S, Umemoto R, Nishida N, Shimada I
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A 巻: 112 号: 22 ページ: 6991-6996
  • DOI: 10.1073/pnas.1423520112
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Differential large-amplitude breathing motions in the interface of FKBP12-drug complexes (2015)
  • 著者名/発表者名: Chun-Jiun Yang, Mitsuhiro Takeda, Tsutomu Terauchi, JunGoo Jee, Masatsune Kainosho
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 54 号: 47 ページ: 6983-95
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.5b00820
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nano-mole scale sequential signal assignment by 1H-detected protein solid-state NMR (2015)
  • 著者名/発表者名: Songlin Wang, Sudhakar Parthasarathy, Yiling Xiao, Yusuke Nishiyama, Fei Long, Isamu Matsuda, Yuki Endo, Takahiro Nemoto, Kazuo Yamauchi, Tetsuo Asakura, Mitsuhiro Takeda, Tsutomu Terauchi, Masatsune Kainosho, Yoshitaka Ishii
  • 雑誌名: Chem. Commun. (Camb) 巻: ５１ 号: 81 ページ: 15055-8
  • DOI: 10.1039/c5cc04618a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nano-mole scale side-chain assignment by 1H-detected protein solid-state NMR by ultra-fast magic-angle spinning and stereo-array isotope labeling (2015)
  • 著者名/発表者名: Songlin Wang, Sudhakar Parthasarathy, Yusuke Nishiyama, Yuki Endo, Takahiro Nemoto, Kazuo Yamauchi, Tetsuo Asakura, Mitsuhiro Takeda, Tsutomu Terauchi, Masatsune Kainosho, and Yoshitaka Ishii
  • 雑誌名: PLoS One 巻: １０ 号: 4 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0122714
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Functional dynamics of cell surface membrane proteins (2014)
  • 著者名/発表者名: Nishida N, Osawa M, Takeuchi K, Imai S, Stampoulis P, Kofuku Y, Ueda T, Shimada I
  • 雑誌名: J Magn Reson 巻: 241 ページ: 86-96
  • DOI: 10.1016/j.jmr.2013.11.007
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Cross-saturation and transferred cross-saturation experiments (2014)
  • 著者名/発表者名: Ueda T, Takeuchi K, Nishida N, Stampoulis P, Kofuku Y, Osawa M, Shimada I
  • 雑誌名: Q Rev Biophys 巻: 47 号: 2 ページ: 143-187
  • DOI: 10.1017/s0033583514000043
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Backbone and side-chain 1H, 15N and 13C resonance assignments of the microtubule-binding domain of yeast cytoplasmic dynein in the high and low-affinity states (2014)
  • 著者名/発表者名: Takarada O, Nishida N, Kikkawa M, Shimada I
  • 雑誌名: Biomol NMR assign 巻: 8 号: 2 ページ: 379-382
  • DOI: 10.1007/s12104-013-9522-2
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Use of H/D isotope effects to gather information about hydrogen bonding and hydrogen exchange rates (2014)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhiro Takeda, Yohei Miyanoiri, Tsutomu Terauchi, Chun-Jiun Yang, Masatsune Kainosho
  • 雑誌名: J. Magn. Reson. 巻: 241 ページ: 148-154
  • DOI: 10.1016/j.jmr.2013.10.001
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Automated resonance assignment of the 21 kDa stereo-array isotope labeled thioldisulfide oxidoreductase DsbA. (2014)
  • 著者名/発表者名: Schmidt, E., Ikeya, T., Takeda, M., Loehr, F., Buchner, L., Ito, Y., Kainosho, M., Guentert, P.
  • 雑誌名: J. Magn. Reson. 巻: 249 ページ: 88-93
  • DOI: 10.1016/j.jmr.2014.10.005
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] in-cell NMR法を用いた細胞内生命反応のリアルタイム観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: Noritaka Nishida, Ichio Shimada
  • 学会等名: よこはまNMR研究会 第62回ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] Recent Advances in Isotope-Aided Methods for Studying Protein Structures and Dynamics-Historical Background and Future Perspectives (2019)
  • 著者名/発表者名: Masatsune Kainosho
  • 学会等名: Advanced Isotope Labelling Methods for Integrated Structure Biology-AILM 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] in-cell NMR法を用いた細胞内生命現象のリアルタイム観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: Noritaka Nishida, Ichio Shimada
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] ゲノム編集技術を活用した 細胞内Rasの活性制御機構のin-cell NMR観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: Quinci Zhao, Ryu Fujimiya, Chris Mershall, Mitsuhiko Ikura, Noritaka Nishida, Ichio Shimada
  • 学会等名: 第16回次世代を担う若手のためのフィジカル・ファーマフォーラム(PPF2018)
• [学会発表] Real-time observation of the biological events within living cells using in-cell NMR (2018)
  • 著者名/発表者名: 西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: JST-Mirai kick-off symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] in-cell NMR observation of oxidative stress induced response of thioredoxin (2018)
  • 著者名/発表者名: 望月綾野、佐宗新、久保智、趙慶慈、西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: 第138回薬学会年会
• [学会発表] in-cell NMR法による細胞内環境下におけるRasの活性状態の評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 趙慶慈、藤宮璃勇、Chris Marshall、伊倉光彦、西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: 第138回薬学会年会
• [学会発表] Real-time observation of the biological events within living cells using in-cell NMR (2017)
  • 著者名/発表者名: 西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: 第16回蛋白質科学会
  • 招待講演
• [学会発表] Real-time observation of the biological events within living cells using in-cell NMR (2017)
  • 著者名/発表者名: 西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: ConBio2017
  • 招待講演
• [学会発表] in-cell NMR法による細胞内環境下におけるRasの活性状態の評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 趙慶慈、藤宮璃勇、Chris Marshall、伊倉光彦、西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: ConBio2017
• [学会発表] NMR observation of the biological events inside living cells (2016)
  • 著者名/発表者名: 西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: The 27th International Conference on Magnetic Resonance in Biological Systems (ICMRBS)
  • 発表場所: 京都国際会議場（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-08-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] NMR observation of the biological events within living cells (2016)
  • 著者名/発表者名: 西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: The 12th European Magnetic Resonance (EUROMAR) 2016
  • 発表場所: オーフス（デンマーク）
  • 年月日: 2016-07-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Bioreactor system for in-cell NMR observation of the biological events inside living cells (2015)
  • 著者名/発表者名: 西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: 第38回 分子生物学会（BMB2015）
  • 発表場所: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2015-12-01
  • 招待講演
• [学会発表] In-cell NMR observation of the biological events within living cells (2015)
  • 著者名/発表者名: 西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: The 25th Hot Spring Harbor International Symposium
  • 発表場所: 九州大学医学部馬出キャンパス（福岡県福岡市）
  • 年月日: 2015-11-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 生細胞内の生命現象を活写するin-cell NMR法の開発と応用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: 蛋白質科学会 第15回年会
  • 発表場所: あわぎんホール（徳島県徳島市）
  • 年月日: 2015-06-24
  • 招待講演
• [学会発表] 生細胞内の生命現象を観測するバイオリアクター型in-cell NMR法の開発と応用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: よこはまNMR研究会 第52回 ワークショップ
  • 発表場所: 理研鶴見キャンパス（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2015-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] A bioreactor for NMR observation of biological events inside living cells (2014)
  • 著者名/発表者名: 西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: 第53回NMR討論会
  • 発表場所: 大阪大学コンベンションセンター（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2014-11-04
  • 招待講演
• [学会発表] 生細胞内の生命反応をリアルタイムに捉えるin-cell NMR法の開発と応用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: 新学術領域「動的構造生命」 第1回領域キックオフシンポジウム
  • 発表場所: 九州大学医学部馬出病院キャンパス（福岡県福岡市）
  • 年月日: 2014-10-03
  • 招待講演
• [学会発表] A bioreactor system for observing biological eventsinside mammalian cells (2014)
  • 著者名/発表者名: 西田紀貴、嶋田一夫
  • 学会等名: In-cell NMRシンポジウム
  • 発表場所: 首都大学東京八王子キャンパス（東京都八王子市）
  • 年月日: 2014-09-30
  • 招待講演
• [図書] Discoidin domain receptor in health and disease (2016)
  • 著者名/発表者名: Noritaka Nishida, Ichio Shimada
  • 総ページ数: 355
  • 出版者: Springer
• [備考] 東京大学薬学部 生命物理化学教室ホームページ
  • URL: http://ishimada.f.u-tokyo.ac.jp/public_html/index_j.html
• [備考] 東京大学薬学部生命物理化学教室
  • URL: http://ishimada.f.u-tokyo.ac.jp/public_html/index_j.html