遺伝子にコードされたPhyB-PIF系を用いた細胞機能の光制御技術の開発

• 研究領域: 共鳴誘導で革新するバイオイメージング
• 研究課題/領域番号: 16H01425
• 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: 生物系
• 研究機関: 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(岡崎共通研究施設)
• 研究代表者: 青木 一洋 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(岡崎共通研究施設), 岡崎統合バイオサイエンスセンター, 教授 (80511427)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 11,050千円 (直接経費: 8,500千円、間接経費: 2,550千円); 2017年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2016年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
• キーワード: 光遺伝学 / Phytochrome / ERK / シグナル伝達 / PIF / Optogenetics / PhyB

研究実績の概要

近年、光により細胞内シグナル伝達系に摂動を与えるツールが開発され、細胞内シグナル伝達系を時間的に空間的に操作することができる強力な手法となりつつある。しかしながら、これまで報告されているもののほとんどは青色光を用いたものであり、GFPや多くのFRETイメージングと競合してしまうという欠点があった。そこで、本研究では「イメージングに用いることができる赤色光遺伝学システムの開発」を目的とした。
本研究では、赤色光/近赤外光に応答するPhytochrome B (PhyB)-PIF系に着目した。平成28年度は、PhyBに必要な発色団であるPhycocyanobilin (PCB) を哺乳動物培養細胞内にて合成するシステムを開発することに成功している。本年度は、このPCB合成系を用いて、培養細胞内のシグナル伝達系の可視化と光操作を同時に行う系の開発に試みた。ERKシグナル伝達系をPhyB-PIF系によって活性化/不活性化するために、PIF-CRafを光によって形質膜直下へと移行する系を開発した。これに、さらにERK活性の変化をFRETバイオセンサーEKAREVによって可視化することで、シグナル伝達系の可視化と光操作の同時解析に成功した。さらに、アクチン細胞骨格の制御因子であるRac1の活性を光操作する系も開発した。これはRac1の活性化因子であるTiam1を形質膜直下に移行させることで実装した。これにより、細胞の形態変化を誘導することにも成功している。これらの研究と並行して、分裂酵母やES細胞においてもPCB合成系が適用できることも示し、我々が開発したPCB合成システムの有用性を示すことができた。これらの結果をPNAS誌に発表した。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Efficient synthesis of phycocyanobilin in mammalian cells for optogenetic control of cell signaling (2017)
  • 著者名/発表者名: Uda Youichi、Goto Yuhei、Oda Shigekazu、Kohchi Takayuki、Matsuda Michiyuki、Aoki Kazuhiro
  • 雑誌名: Proc Natl. Acad. Sci. U.S.A. 巻: 114 号: 45 ページ: 11962-11967
  • DOI: 10.1073/pnas.1707190114
  • 査読あり
• [雑誌論文] Propagating Wave of ERK Activation Orients Collective Cell Migration (2017)
  • 著者名/発表者名: Aoki Kazuhiro、Kondo Yohei、Naoki Honda、Hiratsuka Toru、Itoh Reina E.、Matsuda Michiyuki
  • 雑誌名: Developmental Cell 巻: 43 号: 3 ページ: 305-317.e5
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2017.10.016
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Two New FRET Imaging Measures: Linearly Proportional to and Highly Contrasting the Fraction of Active Molecules. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yamao M, Aoki K, Yukinawa N, Ishii S, Matsuda M, Naoki H.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 11 号: 10 ページ: e0164254-e0164254
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0164254
  • NAID: 120005853281
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Visualization of Neuregulin 1 ectodomain shedding reveals its local processing in vitro and in vivo. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kamezaki A, Sato F, Aoki K, Asakawa K, Kawakami K, Matsuzaki F, Sehara-Fujiwara A.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 号: 1 ページ: 28873-28873
  • DOI: 10.1038/srep28873
  • NAID: 120005819488
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multiplexed Fluorescence Imaging of ERK and Akt Activities and Cell-cycle Progression (2016)
  • 著者名/発表者名: Maryu G, Matsuda M, Aoki K
  • 雑誌名: Cell Structure and Function 巻: 41 号: 2 ページ: 81-92
  • DOI: 10.1247/csf.16007
  • NAID: 130005165901
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Synergistic antitumor effects of combination of PI3K/mTOR and MEK inhibition (SAR245409 and pimasertib) in mucinous ovarian carcinoma cells by fluorescence resonance energy transfer imaging. (2016)
  • 著者名/発表者名: Inaba K, Oda K, Aoki K, Sone K, Ikeda Y, Miyasaka A, Kashiyama T, Fukuda T, Makii C, Arimoto T, Wada-Hiraike O, Kawana K, Yano T, Osuga Y, Fujii T
  • 雑誌名: Oncotarget 巻: 7 号: 20 ページ: 29577-29591
  • DOI: 10.18632/oncotarget.8807
  • NAID: 120005820854
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Visualization, quantification, and manipulation of cell signaling by imaging. (2017)
  • 著者名/発表者名: Aoki K
  • 学会等名: ConBio 2017
  • 招待講演
• [学会発表] Propagation wave of ERK activation orients collective cell migration. (2017)
  • 著者名/発表者名: Aoki K
  • 学会等名: 50th Annual Meeting of the Japanese Society of Developmental Biologists
  • 招待講演
• [備考] 赤色光/近赤外光による細胞機能の光操作の簡便化に成功
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/press/2017/10/24.html
• [備考] 細胞の集団移動の方向性を決める仕組みの発見 ～ERK分子活性の細胞間伝搬とは逆方向に細胞が動く～
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/press/2017/11/07.html