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蛍光寿命・異方性顕微分光による相分離液滴中のタンパク質周辺環境のラベルフリー解析

研究課題

研究課題/領域番号 21K15238
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分47020:薬系分析および物理化学関連
研究機関東北大学

研究代表者

田原 進也  東北大学, 薬学研究科, 助教 (00783060)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2021年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
キーワード液-液相分離 / 自家蛍光 / 蛍光異方性 / 神経変性疾患 / ポリQ病 / 凝集 / タンパク質凝集 / 無標識観測 / タンパク質変性 / 溶媒環境 / 蛍光寿命イメージング
研究開始時の研究の概要

液-液相分離は細胞内に高濃度タンパク質液滴を生じる現象である。液滴の形成は疾患の原因となったり、代謝反応の制御に関与する。本研究では液滴中のタンパク質の周辺環境やコンフォメーションをラベルフリーで調べることができる紫外励起蛍光寿命・異方性イメージング装置を構築する。この装置を用いて代表的な液滴形成タンパク質の液滴内におけるコンフォメーションを調べる。さらにこれらタンパク質が他のタンパク質や核酸と相互作用したときのコンフォメーション変化を明らかにする。得られた結果からタンパク質の液滴形成によってどのような細胞内現象が引き起こされるのか明らかにし、疾患の発症や代謝制御との関連性を議論する。

研究成果の概要

神経変性疾患原因タンパク質が液-液相分離を起こすと、凝集が促進される。本研究では相分離により生成した液滴中のタンパク質の凝集に伴う構造変化や液滴の物性変化を検討した。自家蛍光寿命・異方性顕微鏡を構築し、マシャドジョセフ病原因タンパク質ataxin-3や筋萎縮性側索硬化症原因タンパク質FUS LCの液滴をラベルフリー測定した。得られた結果から液滴内におけるataxin-3の凝集に伴う逐次的な構造変化が明らかとなった。またFUS LCの液滴内部の粘度が時間とともに増大することを示し、液滴からゲルや凝集体への相転移を定量的に追跡できる可能性を提示できた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

自家蛍光・異方性顕微鏡を開発し、液-液相分離により生成した液滴内のタンパク質の構造や状態を観測することに成功した。従来法と異なり、本手法はラベルフリーかつ液滴のままの状態でタンパク質凝集や液滴の物性変化を定量的に評価できる。
Ataxin-3は通常の溶液中で線維化するが、液滴内では異なる構造の凝集体が形成された。このことはataxin-3の毒性がLLPSによって変化する可能性を示唆しており、マシャドジョセフ病の治療法開発に極めて重要な知見となる。また液滴内の粘度に基づき、ゲル化や凝集を観測することにも成功した。このことは疾患の進行を定量的に判断する指標にもなると考えられる。

報告書

(3件)
  • 2022 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (7件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Label-Free Autofluorescence Lifetime Reveals the Structural Dynamics of Ataxin-3 Inside Droplets Formed via Liquid-Liquid Phase Separation2023

    • 著者名/発表者名
      Uchu Matsuura, Shinya Tahara, Shinji Kajimoto, Takakazu Nakabayashi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 号: 1 ページ: 6389-6389

    • DOI

      10.1038/s41598-023-33268-y

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Direct observation of unfolding dynamics of the amyloidosis-related protein in droplets formed via liquid-liquid phase separation by autofluorescence measurement2022

    • 著者名/発表者名
      Uchu Matsuura, Shinya Tahara, Shinji Kajimoto, Takakazu Nakabayashi
    • 学会等名
      第16回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] PolyQ chain length dependence of liquid-liquid phase separation and aggregation dynamics of a neurodegeneration-related protein ataxin-32022

    • 著者名/発表者名
      Uchu Matsuura, Shinya Tahara, Shinji Kajimoto, Takakazu Nakabayashi
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Quantitative analysis of time-dependent dynamics of FUS LC droplets formed by LLPS using fluorescence lifetime2022

    • 著者名/発表者名
      Kaichi Nagai, Shinya Tahara, Uchu Matsuura, Mizuki Sugimoto, Eita Sasaki, Shinji Kajimoto, Kenjiro Hanaoka, Takakazu Nakabayashi
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 自家蛍光測定による液滴内の病原性蛋白質の変性ダイナミクスの観測2022

    • 著者名/発表者名
      松浦宇宙, 田原進也, 梶本真司, 田原進也
    • 学会等名
      第61回日本薬学会東北支部大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 蛍光寿命測定による液-液相分離に伴う粘性変化の追跡2022

    • 著者名/発表者名
      永井海地, 田原進也, 松浦宇宙, 杉本瑞樹, 佐々木栄太, 梶本真司, 花岡健二郎, 中林孝和
    • 学会等名
      第61回日本薬学会東北支部大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 先端的分光法によるタンパク質の病原性発現機構の解析2021

    • 著者名/発表者名
      田原進也
    • 学会等名
      日本薬学会東北支部 第9回物理・分析若手研究者セミナー
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-01-30  

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