超高輝度化学発光性生理機能指示薬の開発

• 研究課題/領域番号: 11J07159
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 張 郁芬 北海道大学, 電子科学研究所, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2012
• 研究課題ステータス: 完了 (2012年度)
• 配分額: 1,300千円 (直接経費: 1,300千円); 2012年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
• キーワード: 化学発光 / Ca2+指示薬 / Pb2+指示薬 / Pb2+プローブを開発 / 超高輝度化学発光性生理機能指示薬

研究概要

鉛イオン(Pb2+)に対する化学発光性の指示薬を作成と並行して、Ca2+指示薬作成も行った。Ca2+については蛍光指示薬の知見が豊富で作成にあたってのノウハウが全てPb2+指示薬の作成に活かすことができると考えたからである。当研究室では化学発光タンパク質RLucと蛍光タンパク質Venusを高効率にエネルギー移動が起こるコンフォメーションで連結することにより高輝度化したNano-lantemを開発している。このRLucドメイン内にCa2+結合タンパク質CaMとM13を導入することで、新規Ca2+指示薬Nano-lantern(Cd2+)を開発した。さらにCaMとM13の間のアミノ酸リンカー長を変えることによりCa2+に対する親和性を10nMから500nM程度まで様々な解離定数を持つ6種類の変異体を作成することもできたことは大きな進展であったと言えよう。
従来のCa2+プローブでは不可能だった高速度でのイメージングを試みるために、Nano-lantern(Ca2+)をHeLa細胞(培養されたヒト由来の癌細胞)に発現させたところ、これまでの発光性Ca2+プローブでは不可能だったビデオレートでのイメージングに成功しました
これらの発光プローブは励起光を必要としないため、蛍光タンパク質ではできなかった観察による新たな発見が期待されます。また、光で細胞の活動やタンパク質の機能を制御する「光遺伝学的技術(オプトジェネティクス)」と組み合わせることが容易です。
残念ながら、同様の戦略でPb2+指示薬を開発することは適わなかったものの、RLucの重金属感受性についての詳細な知見を得ることができた。本知見は今後の指示薬開発に大いに活かせるものと期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Improved orange and red Ca2+ indicators and photophysical considerations for optogenetic applications. (2013)
  • 著者名/発表者名: Wu JH, Liu L, Matsuda T, Zhao YG, Rebane A, Drobijev M, Chang YF Araki S, Arai Y, March K, Sagou K, Miyata T, Nagai T, Li WH, Campbell R,
  • 雑誌名: ACS Chen. Neurosci. 巻: 4 号: 6 ページ: 963-972
  • DOI: 10.1021/cn400012b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Luminescent proteins for high-speed single-cell and whole-body imaging (2012)
  • 著者名/発表者名: Saito K, Chang YF, Horikawa K, Hatsugai N, Higuchi Y, Hashida M, Yoshida Y, Matsuda T, Arai Y, Nagai T
  • 雑誌名: Nature communication 巻: 3 号: 1 ページ: 1262-1262
  • DOI: 10.1038/ncomms2248
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optogenetic activation during "dead-time" of detector enables well compatible fluorescence imaging with increasing time resolution and reducing background noise (2012)
  • 著者名/発表者名: Chang YF, Arai Y, Nagai T
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 73 号: 4 ページ: 341-347
  • DOI: 10.1016/j.neures.2012.05.007
  • 査読あり
• [雑誌論文] An expanded palette of genetically encoded Ca2+ indicators (2011)
  • 著者名/発表者名: Zhao YG, Araki S, Wu JH, Teramoto T, Chang YF, Nakano M, Abdelfattah AS, Fujiwara M, Ishihara T, Nagai T, Campbell R
  • 雑誌名: Science 巻: 333 号: 6051 ページ: 1888-1891
  • DOI: 10.1126/science.1208592
  • 査読あり
• [学会発表] Enhanced chemiluminescent protein enabling real time imaging in live organisms (2011)
  • 著者名/発表者名: Chang YF, Saito K, Horikawa K, Hatsugai N, Higuchi Y, Hashida M, Yoshida Y, Matsuda T, Arai Y, Nagai T
  • 学会等名: 3rd International Symposium on Photonic Bioimaging
  • 発表場所: 京王プラザホテル(札幌市)
• [学会発表] High performance auto-luminescent genetically-encoded Ca2+ indicators applicable in conjunction with optogentic technology (2011)
  • 著者名/発表者名: Chang YF, Saito K, Horikawa K, Matsuda T, Arai Y, Nagai T
  • 学会等名: 12th RIES-Hokudai International Symposium
  • 発表場所: Chateraise Gateaux Kingdom(札幌市)
• [学会発表] 光遺伝学的ツールとの併用に相応しい自動発光性Ca2+指示薬による神経細胞のビデオレートイメージング (2011)
  • 著者名/発表者名: 張郁苓, 齊藤健太, 堀川一樹, 松田知己， 新井由之, 永井健治
  • 学会等名: 第20回日本バイオイメージング学会
  • 発表場所: 千歳科学技術大学(千歳市)