情報蛋白質のリン酸化による細胞記憶の新たな分子機構

• 研究課題/領域番号: 15H02394
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 佐甲 靖志 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (20215700)
• 研究分担者: 日比野 佳代 国立遺伝学研究所, 構造遺伝学研究センター, 助教 (40435673)
• 研究協力者: 岡本 憲二
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 40,170千円 (直接経費: 30,900千円、間接経費: 9,270千円); 2018年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円); 2017年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円); 2016年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円); 2015年度: 13,650千円 (直接経費: 10,500千円、間接経費: 3,150千円)
• キーワード: 細胞情報・動態

研究成果の概要

リン酸化酵素RAFは、細胞内情報処理ネットワークの要となる反応要素である。RAFの構造は、両端を蛍光標識したFRETプローブ分子を用いて計測できる。我々は、細胞内のRAF分子の平均構造が細胞ごとに異なっており、それが増殖因子に対する細胞ごとのRAFの応答性の違いと相関すること、さらに、RAFの構造分布が、分子内の複数のアミノ酸残基のリン酸化の組み合わせによって制御されていることを明らかにした。さらに細胞内１分子計測で細胞外信号に応答した構造変化過程を推定した。この結果は、各々の細胞が経験してきたリン酸化酵素活性化の履歴がRAF分子に埋込まれ、細胞応答を決定していることを示唆している。

研究成果の学術的意義や社会的意義

RAFは細胞増殖・分化などの運命決定を制御する分子であり、その異常は遺伝病の発症や発癌に関係している。RAFの特徴は活性と関連する極めて多数のリン酸化部位と、開閉の構造ダイナミクスを持つことである。我々は多数のRAF分子の平均構造が細胞毎に異なっており、構造がリン酸化の組み合わせと相関することを発見し、詳細な解析を行った。本研究は、細胞内情報処理蛋白質の多重リン酸化を利用した新たな細胞記憶の形成・保持機構を研究し、その分子機構に由来する細胞個性の発現や遺伝的変異による発病の理解に繋がるものである。

研究成果

• [国際共同研究] Ulsan University(韓国)
• [国際共同研究] University Colledge Dublin(アイルランド)
• [国際共同研究] McGill University(Canada)
• [国際共同研究] National University of Singapore(Singapore)
• [雑誌論文] In-cell single-molecule FRET measurements reveal three conformational state changes in RAF protein (2019)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Kenji、Hibino Kayo、Sako Yasushi
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects 巻: in press 号: 2 ページ: 1-42
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2019.04.022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Inferring a nonlinear biochemical network model from a heterogeneous single-cell time course data (2018)
  • 著者名/発表者名: Shindo Yuki、Kondo Yohei、Sako Yasushi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 6790-6790
  • DOI: 10.1038/s41598-018-25064-w
  • NAID: 120006502573
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Automated single-molecule imaging in living cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasui Masato、Hiroshima Michio、Kozuka Jun、Sako Yasushi、Ueda Masahiro
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 号: 1 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1038/s41467-018-05524-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-molecule diffusion-based estimation of ligand effects on G protein?coupled receptors (2018)
  • 著者名/発表者名: Yanagawa Masataka、Hiroshima Michio、Togashi Yuichi、Abe Mitsuhiro、Yamashita Takahiro、Shichida Yoshinori、Murata Masayuki、Ueda Masahiro、Sako Yasushi
  • 雑誌名: Science Signaling 巻: 11 号: 548 ページ: 1-16
  • DOI: 10.1126/scisignal.aao1917
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-Molecule F?rster Resonance Energy Transfer Measurement Reveals the Dynamic Partially Ordered Structure of the Epidermal Growth Factor Receptor C-Tail Domain (2018)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Kenji、Sako Yasushi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 123 号: 3 ページ: 571-581
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b10066
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-molecule imaging and manipulation of biomolecular machines and systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Iino Ryota、Iida Tatsuya、Nakamura Akihiko、Saita Ei-ichiro、You Huijuan、Sako Yasushi
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects 巻: 1862 号: 2 ページ: 241-252
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2017.08.008
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transient Acceleration of Epidermal Growth Factor Receptor Dynamics Produces Higher-Order Signaling Clusters (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroshima Michio、Pack Chan-gi、Kaizu Kazunari、Takahashi Koichi、Ueda Masahiro、Sako Yasushi
  • 雑誌名: Journal of Molecular Biology 巻: 430 号: 9 ページ: 1386-1401
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2018.02.018
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Lipid-Protein Interplay in Dimerization of Juxtamembrane Domains of Epidermal Growth Factor Receptor (2018)
  • 著者名/発表者名: Maeda Ryo、Sato Takeshi、Okamoto Kenji、Yanagawa Masataka、Sako Yasushi
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 114 号: 4 ページ: 893-903
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2017.12.029
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-molecule fluorescence-based analysis of protein conformation, interaction, and oligomerization in cellular systems (2017)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Kenji、Hiroshima Michio、Sako Yasushi
  • 雑誌名: Biophysical Reviews 巻: 10 号: 2 ページ: 317-326
  • DOI: 10.1007/s12551-017-0366-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Recent advances in FRET for the study of protein interactions and dynamics. (2017)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, K. and Sako, Y.
  • 雑誌名: Curr. Opin. Strct. Biol. 巻: 46 ページ: 16-23
  • DOI: 10.1016/j.sbi.2017.03.010
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A role for anti-viral host defense mechanism in the phylogenetic divergence in baculovirus evolution (2016)
  • 著者名/発表者名: Nagamine, T. and Sako, Y.
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 11
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A novel spingomyeling/cholesterol specific probe reveals the dynamics of the membrane domain during virus and in Nieman-Pick type C (2016)
  • 著者名/発表者名: Makino, A., Sako, Y. et al.
  • 雑誌名: FASEB J. 巻: 31 号: 4 ページ: 1301-1322
  • DOI: 10.1096/fj.201500075r
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cortical polarity of the RING protein PAR-2 is maintained by exchange rate kinetics at the cortical-cytoplasm boundary (2016)
  • 著者名/発表者名: Arata, Y., Hiroshima, M., Pack, C.-G., Ramanujam, R., Motegi, F., Nakazato, K., Wiseman, P. W., Sawa, H., Kobayashi, T. J., Brandao, H. B., Shibata, T., and Sako, Y.
  • 雑誌名: Cell Rep. 巻: 16 号: 8 ページ: 2156-2168
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2016.07.047
  • 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] 細胞内シグナルのアナログ・デジタル変換 (2016)
  • 著者名/発表者名: 新土優樹、小迫英尊、佐甲靖志、高橋恒一
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 56 ページ: 334-336
  • NAID: 130005170660
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Interaction of a Novel Fluorescent GTP Analogue with the small G-protein K-Ras (2016)
  • 著者名/発表者名: Seigo IWATA, Kaori MASUHARA, Nobuhisa UMEKI, Yasushi SAKO and Shinsaku MARUTA
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: 159 号: 1 ページ: 41-48
  • DOI: 10.1093/jb/mvv071
  • NAID: 40020725621
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] State transition analysis of spontaneous branch migration of the Holliday junction by photon-based single-molecule fluorescence resonance energy transfer. (2016)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, K. and Sako, Y.
  • 雑誌名: Biophys. Chem. 巻: 209 ページ: 21-27
  • DOI: 10.1016/j.bpc.2015.11.004
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Conversion of graded phosphorylation into switch-like nuclear translocation via autoregulatory mechanisms in ERK signalling. (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Shindo, K. Iwamoto, K. Mouri, K. Hibino, M. Tomita, H. Kosako, Y. Sako and K. Takahashi.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 号: 1 ページ: 10485-10485
  • DOI: 10.1038/ncomms10485
  • NAID: 120006535049
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Switching of the positive feedback for RAS activation by a concerted function of SOS membrane association domains. (2016)
  • 著者名/発表者名: Nakamura, Y., Hibino, K., Yanagida, T., and Sako, Y.
  • 雑誌名: Biophys. Physicobiol. 巻: 13 ページ: 1-11
  • NAID: 130005121334
  • 査読あり
• [学会発表] Single-molecule pharmacology of G protein-coupled receptors (2019)
  • 著者名/発表者名: Sako, Y.
  • 学会等名: 1st international symposium on Interdisciplinary Approaches to Integrative Understanding of Biological Signaling Networks
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] In cell automated single-molecule analysis and its extensive applications (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroshima, M., Yasui, M., Kozuka, J., Sako, Y., and Ueda, M.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第56回年会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single-molecule analysis of a cell signaling protein, SOS (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakamura, Y., Hibino, K., Yanagida, T., and Sako, Y.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第56回年会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sinlgle-molecular pharmacology of GPCRs (2018)
  • 著者名/発表者名: Sako, Y.
  • 学会等名: The 3rd Biosignal Research Center International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Lateral mobility of GPCRs reflects their activation kinetics (2018)
  • 著者名/発表者名: Sako, Y.
  • 学会等名: The 91st Annual Meeting of the Japanese Biochemical Society Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞膜受容体の１分子動態、生理学から薬理学へ (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会 第42回関東支部講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Lipid-protein cooperativity in the regulation of juxtamembrane domain dimer formation in epidermal growth factor receptor (2017)
  • 著者名/発表者名: Maeda, R., Sato, T., Okamoto, K., and Sako, Y.
  • 学会等名: 第55回日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Single-molecule FRET measurement for EGFR-RAS-MAPK signal transduction pathway (2017)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, K., Maeda, R., and Sako, Y.
  • 学会等名: “Deciphering complex energy landscape and kinetic network from single molecules to cells: a new challenge to make theories meet experiments”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞内情報伝達のイメージング (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 学会等名: 理研公開シンポジウム「観る・測る・解く」４次元細胞計測の現状と未来
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞膜受容体の運動・会合体形成による情報伝達 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 学会等名: 第69回日本細胞生物学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞内の１分子イメージング：生理学から薬理学へ (2016)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 学会等名: 東京理科大学研究推進機構総合研究院 イメージングフロンティアセンターシンポジウム
  • 発表場所: 東京理科大学（野田）
  • 年月日: 2016-12-10
  • 招待講演
• [学会発表] Motional dynamics of cell membrane receptors (2016)
  • 著者名/発表者名: Sako, Y.
  • 学会等名: Pioneering New Fields: Forefront of RIKEN’s Science and Beyond
  • 発表場所: RIKEN (Wako)
  • 年月日: 2016-11-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞膜受容体の１分子可視化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 学会等名: 第25回日本バイオイメージング学会学術集会
  • 発表場所: 名古屋市立大学（名古屋）
  • 年月日: 2016-09-05
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞内の確率過程 (2016)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 学会等名: 研究会「異常拡散をめぐる最近の進展」
  • 発表場所: 慶應義塾大学（横浜）
  • 年月日: 2016-09-01
  • 招待講演
• [学会発表] 増殖因子刺激に対するswitch-likeなERKの核移行様式 (2016)
  • 著者名/発表者名: 新土優樹 他
  • 学会等名: 第68回日本細胞生物学会大会、日本ケミカルバイオロジー学会合第11回年会合同大会
  • 発表場所: 京都テルサ（京都）
  • 年月日: 2016-06-15
  • 招待講演
• [学会発表] １分子計測で見るEGF受容体の細胞膜動態 (2016)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 学会等名: 蛋白研セミナー
  • 発表場所: 大阪大学、吹田
  • 年月日: 2016-03-04
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞内情報処理反応の１分子可視化計測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 学会等名: CBI学会 第370回研究講演会
  • 発表場所: 東京大学、東京
  • 年月日: 2016-03-03
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞膜受容体の動的会合体形成と機能 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 学会等名: 第13回JCGGシンポジウム
  • 発表場所: ウインク愛知、名古屋
  • 年月日: 2015-10-01
  • 招待講演
• [学会発表] Single-molecule analysis of cell signaling reactions (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 学会等名: 第3回 少数性成物学トレーニングコース
  • 発表場所: 大阪大学、吹田
  • 年月日: 2015-08-01
  • 招待講演
• [学会発表] 情報伝達蛋白質RAFの疾病変異体のコンフォメーションと機能のイメージング計測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 日比野佳代、上田昌宏、佐甲靖志
  • 学会等名: 第67回 日本細胞生物学会大会
  • 発表場所: タワーホール船堀、東京
  • 年月日: 2015-07-01
  • 招待講演
• [学会発表] RAS-MAPK systemの可視化反応解析 １分子病理・薬理学の可能性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 学会等名: 岡山大学大学院薬学研究科セミナー
  • 発表場所: 岡山大学、岡山
  • 年月日: 2015-06-26
  • 招待講演
• [学会発表] １分子計測で細胞内反応システムを理解する (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐甲靖志
  • 学会等名: 第12回 原子・分子・光科学 (AMO) 討論会
  • 発表場所: 東京大学、東京
  • 年月日: 2015-06-20
  • 招待講演
• [備考] http://www.riken.go.jp/cell-info/
• [備考] 佐甲細胞情報研究室Webpage
  • URL: http://www.riken.go.jp/cell-info/
• [産業財産権] Method for evaluating activity of G protein-coupled receptor (GPCR) (2018)
  • 発明者名: Masataka Yanagawa, et al.
  • 権利者名: 理化学研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2018
  • 外国
• [産業財産権] Gタンパク質共役型受容体(GPCR)の活性評価方法 (2017)
  • 発明者名: 柳川正隆、佐甲靖志、廣島通夫、安井真人、上田昌宏、冨樫祐一
  • 権利者名: 柳川正隆、佐甲靖志、廣島通夫、安井真人、上田昌宏、冨樫祐一
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2017-084803
  • 出願年月日: 2017