化学ツールが切り拓くヘム動態解明研究

• 研究課題/領域番号: 23K23490
• 補助金の研究課題番号: 22H02223 (2022-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2022-2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分37030:ケミカルバイオロジー関連
• 研究機関: 岐阜薬科大学
• 研究代表者: 平山 祐 岐阜薬科大学, 薬学部, 准教授 (10600207)
• 研究分担者: 嶋澤 雅光 岐阜薬科大学, 薬学部, 教授 (80381721)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2025年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2024年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2023年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2022年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円)
• キーワード: イメージング / 蛍光プローブ / オミクス解析 / ヘム

研究開始時の研究の概要

ヘムは地球上に存在するほぼ全ての生命体に必須の化学種である。しかしながら、生体内で「ヘムそのもの=遊離ヘム」を検出することは難し く、その動態や機能の多くは現在も未解明のままである。本研究では、「遊離ヘムは生体内でどのように機能し、制御されているか」というヘ ムの生命科学の根幹となる問いの解明を目指して、申請者が独自に開発した世界最高性能を有する遊離ヘム蛍光プローブとそのセンシング技術 を基盤に、革新的化学ツールを開発し、「可視化」と「制御」に基づくヘムのケミカルバイオロジー研究を実施する。

研究実績の概要

本研究では、遊離ヘムを選択的かつ高速・精細に可視化するための革新的化学ツールを開発し、可視化と制御に基づくヘムの生体内動態・機能の解明研究を実施する。
本年度は、生細胞イメージングが可能なヘム蛍光プローブの開発を実施した。当研究室にて開発したヘム選択的蛍光プローブH-FluNoxをもとに、種々の修飾を施し、オルガネラ移行性をもたせた新規ヘム蛍光プローブの開発に着手した。ヘム合成の場であるミトコンドリア局在型のヘムプローブを開発し、蛍光イメージングによるミトコンドリアにおけるヘムの可視化に成功した。また、ミトコンドリアに加えて、細胞質に局在するヘム蛍光プローブを開発し、ヘム生合成活性化状態において、細胞質におけるヘム濃度の上昇を可視化することに成功した。
上記と並行し、組織イメージングに利用可能なヘムイメージングプローブの開発を実施した。前年度に開発したミトコンドリア集積型組織イメージングプローブを使い、マウスにヘム生合成促進薬を経口投与し、脳組織でのイメージングを実施したところ、ヘム生合成誘導剤投与マウスの脳において顕著な蛍光シグナルが観測された。さらに、組織で染色が見られた細胞群を特定するため、脳組織から染色細胞のセルソーティングによる単離を試みた。当初は取得できる細胞がわずかであり、死細胞が大半であったが、実験条件を最適化し、現在はその後の解析に使用するのに十分な細胞数が得られるようになった。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究はプローブ化合物の合成・開発に3年を要すると予定していたものの、十分な機能を示すプローブ化合物がすでに得られており、なおかつ最終目的の1つであった組織イメージングを終え、セルソーティングからシングルセル解析へと展開できる可能性を得ている。当初予定では最終年度に実施予定であったものが、2年目終了時にその傍証を得られていることから、計画以上の進展が見られる、と評価する。

今後の研究の推進方策

本年は、開発したプローブを元に、組織イメージングの脳以外の部位へのさらなる展開と、組織からのシングルセル解析へと進める予定である。

研究成果

• [国際共同研究] University of Wisconsin(米国)
• [国際共同研究] University of Kaiserslautern(ドイツ)
• [国際共同研究] Griffith University(オーストラリア)
• [国際共同研究] University of Cambridge(英国)
• [国際共同研究] University College Cork(アイルランド)
• [雑誌論文] Crucial role of iron in epigenetic rewriting during adipocyte differentiation mediated by JMJD1A and TET2 activity (2023)
  • 著者名/発表者名: Suzuki T, Komatsu T, Shibata H, Tanioka A, Vargas D, Kawabata-Iwakawa R, Miura F, Masuda S, Hayashi M, Tanimura-Inagaki K, Morita S, Kohmaru J, Adachi K, Tobo M, Obinata H, Hirayama T, Kimura H, Sakai J, Nagasawa H, Itabashi H, Hatada I, Ito T, Inagaki T.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 51 号: 12 ページ: 6120-6142
  • DOI: 10.1093/nar/gkad342
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Irregular particle morphology and membrane rupture facilitate ion gradients in the lumen of phagosomes (2022)
  • 著者名/発表者名: Baranov Maksim V.、Ioannidis Melina、Balahsioui Sami、Boersma Auke、de Boer Rinse、Kumar Manoj、Niwa Masato、Hirayama Tasuku、Zhou Qintian、Hopkins Terrence M.、Grijpstra Pieter、Thutupalli Shashi、Sacanna Stefano、van den Bogaart Geert
  • 雑誌名: Biophysical Reports 巻: 2 号: 3 ページ: 100069-100069
  • DOI: 10.1016/j.bpr.2022.100069
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Haloperidol Prevents Oxytosis/Ferroptosis by Targeting Lysosomal Ferrous Ions in a Manner Independent of Dopamine D2 and Sigma-1 Receptors (2022)
  • 著者名/発表者名: Hirata Yoko、Oka Kohei、Yamamoto Shotaro、Watanabe Hiroki、Oh-hashi Kentaro、Hirayama Tasuku、Nagasawa Hideko、Takemori Hiroshi、Furuta Kyoji
  • 雑誌名: ACS Chemical Neuroscience 巻: 13 号: 18 ページ: 2719-2727
  • DOI: 10.1021/acschemneuro.2c00398
  • 査読あり
• [雑誌論文] Iron accelerates Fusobacterium nucleatum-induced CCL8 expression in macrophages and is associated with colorectal cancer progression. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamane T, Kanamori Y, Sawayama H, Yano H, Nita A, Ohta Y, Hinokuma H, Maeda A, Iwai A, Matsumoto T, Shimoda M, Niimura M, Usuki S, Yasuda-Yoshihara N, Niwa M, Baba Y, Ishimoto T, Komohara Y, Sawa T, Hirayama T, Baba H, Moroishi T.
  • 雑誌名: JCI Insight. 巻: 7(21) 号: 21 ページ: 156802-156802
  • DOI: 10.1172/jci.insight.156802
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ビスマスローダミンにおけるビスマス元素置換反応 (2024)
  • 著者名/発表者名: 平山祐、向峯あかり、永澤秀子
  • 学会等名: 日本化学会第104年会
• [学会発表] フェロトーシス阻害効果を示す新規化学構造の開発 (2024)
  • 著者名/発表者名: 河合寛太、平山祐、辻美恵子、永澤秀子
  • 学会等名: 日本化学会第104年会
• [学会発表] Imaging of labile heme in cells and tissues by novel fluorescent probes (2024)
  • 著者名/発表者名: Tasuku Hirayama
  • 学会等名: 日本薬学会第144年会次世代薬学アジアシンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 生体内鉄(Ⅱ)イオンおよびヘムに対するケミカルバイオロジー (2023)
  • 著者名/発表者名: 平山 祐
  • 学会等名: 第76回日本酸化ストレス学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 遊離ヘム選択的蛍光プローブの開発とライブセルイメージング (2023)
  • 著者名/発表者名: 平山祐、河合寛太、今井遥、辻美恵子、永澤秀子
  • 学会等名: 第76回日本酸化ストレス学会学術集会
• [学会発表] In situプローブ合成戦略による局所的二価鉄イメージング法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 河合寛太、平山祐、辻美恵子、永澤秀子
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会第17回年会
• [学会発表] 鉄・ヘム動態の包括的理解に向けた化学ツールの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 平山 祐
  • 学会等名: 第23回日本蛋白質化学学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Imaging labile heme by small molecule-based fluorescent probe (2023)
  • 著者名/発表者名: Tasuku Hirayama
  • 学会等名: FASEB Science Research Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 生体内の鉄・ヘムの動態解析を目指す化学プローブの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 平山 祐
  • 学会等名: レドックスＲ＆Ｄ戦略委員会 第2回夏のシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Development of a new heme-selective fluorescent probe for sensing subcellular dynamics of labile heme (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryo Kakiuchi, Tasuku Hirayama, Shohei Tsuji, Masamitsu Shimazawa, Tomonori Tamura, Itaru Hamachi, Mieko Tsuji, Hideko Nagasawa
  • 学会等名: BIORON2023
  • 国際学会
• [学会発表] 微小領域内in situプローブ合成法をもちいた精密鉄解析技術の創出 (2023)
  • 著者名/発表者名: 河合寛太、平山祐、辻美恵子、永澤秀子
  • 学会等名: 第2回東海地区創薬デザイン研究会
• [学会発表] 過酸化脂質選択的に応答する近赤外蛍光プローブの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 黄世斌、平山祐、辻美恵子、永澤秀子
  • 学会等名: 第2回東海地区創薬デザイン研究会
• [学会発表] 生体内の鉄・ヘムの動態解析を促進するケミカルツールの開発と応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 平山 祐
  • 学会等名: 第47回鉄バイオサイエンス学会学術会議
  • 招待講演
• [学会発表] 生体組織イメージングを指向したヘム駆動型生体分子修飾化剤の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 垣内 亮、平山 祐、辻 翔平、嶋澤 雅光、田村 朋則、浜地 格、辻 美恵子、永澤 秀子
  • 学会等名: 第40回メディシナルケミストリーシンポジウム2023
• [学会発表] 鉄依存的細胞死に対する新規阻害剤の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 浅井大蓉 ，江口陸斗，後藤萌佳，清水結葉，作村璃乃 ，河合寛太，山田春輝，平山祐
  • 学会等名: 第40回メディシナルケミストリーシンポジウム2023
• [学会発表] Development of fluorescent probes for labile heme (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Hirayama
  • 学会等名: The 10th Asian Symposium on Bioloinorganic Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fluorescence probes for labile iron and heme and their applications to live-cell imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: 平山 祐
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] 生体膜アンカリング型プローブによる鉄イオン蛍光イメージング (2022)
  • 著者名/発表者名: 平山 祐
  • 学会等名: 第95回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Development of heme-selective biomolecule-labeling probes for omics analysis and tissue imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Kakiuchi, T. Hirayama, S. Tsuji, M. Shimazawa, T. Tamura, I. Hamachi, M. Tsuji, H. Nagasawa
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Metallomics
  • 国際学会
• [学会発表] 新規ヘム蛍光プローブによる生細胞内ヘムイメージング (2022)
  • 著者名/発表者名: 平山 祐、河合 寛太、村上 貴規、位田 雅俊、保住 功、永澤 秀子
  • 学会等名: 第39回メディシナルケミストリーシンポジウム
• [学会発表] オミクス解析と組織イメージングを指向したヘム選択的生体分子修飾化剤の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 垣内 亮、平山 祐、辻 翔平、嶋澤 雅光、田村 朋則、浜地 格、辻 美恵子、永澤 秀子
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会第16回年会
• [学会発表] Development of a new heme-selective fluorescent probe for sensing subcellular dynamics of labile heme (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Kawai, T. Hirayama, T. Murakami, M. Inden, M. Tsuji, H. Nagasawa
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Metallomics
  • 国際学会
• [図書] Fluorescent Chemisensors (2023)
  • 著者名/発表者名: Luling Wu; Adam C Sedgwick; Xiao-Peng He; Tony D James
  • 総ページ数: 490
  • 出版者: Royal Society of Chemistry