タンパク質間相互作用を光制御する化学ツールの開発

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17K05921
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 小和田 俊行 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (40584397)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 光操作 / 蛋白質リガンド / 光応答性分子

研究実績の概要

本研究の目的は、光応答性の機能性小分子を開発すること、ならびに、細胞内のタンパク質間相互作用を光照射によって制御する手法の確立である。多くの細胞内タンパク質が他のタンパク質と相互作用することで機能を発現している。したがって、タンパク質二量体の形成・解離を光照射によって制御することが可能になれば、時空間分解能の高いタンパク質機能の制御が実現可能である。本手法は、細胞内シグナル伝達など複雑な生命システムを理解するうえで重要な化学ツールとなることが期待される。
本年度は、以下の２項目について取り組んだ。
（１）細菌酵素β-ラクタマーゼの変異体（BL-tag）に対する特異的リガンドにケージド基を導入した光活性化型のタンパク質リガンドを開発した。さらに、この分子を異なるタグタンパク質であるHaloTagのリガンドと連結することで光二量化剤を開発した。ヒト由来細胞に対して２種類の蛍光タンパク質の融合タンパク質BL-EGFPとHalo-mCherry-CAAXを発現させた。光二量化剤を細胞に添加しUV光を照射することで、BL-EGFP由来の蛍光シグナルが細胞全体から細胞膜へと移行する様子が観察された。
（２）ヒト由来細胞に対して蛍光タンパク質融合タンパク質FKBP12(F36V)-mCherryとHaloTag-EGFP-NLSを発現させた。開発したアゾベンゼン含有光応答性タンパク質二量化剤を添加したところ、細胞全体に広がっていたFKBP12(F36V)-mCherryの蛍光シグナルが核へと移行する様子が観察された。二量化剤添加後にUV光を照射したところ、FKBP12(F36V)-mCherryの核への移行が50%程度抑制された。これはアゾベンゼン構造がUV照射によってtrans体からcis体へと異性化し、FKBP12(F36V)との結合親和性が低下したことを示唆している。

研究成果

• [雑誌論文] Optical Manipulation of Subcellular Protein Translocation Using a Photoactivatable Covalent Labeling System (2021)
  • 著者名/発表者名: Kowada Toshiyuki、Arai Keisuke、Yoshimura Akimasa、Matsui Toshitaka、Kikuchi Kazuya、Mizukami Shin
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1002/anie.202016684
  • 査読あり
• [雑誌論文] Protocol for synthesis and use of a turn-on fluorescent probe for quantifying labile Zn2+ in the Golgi apparatus in live cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Kowada Toshiyuki、Watanabe Tomomi、Liu Rong、Mizukami Shin
  • 雑誌名: STAR Protocols 巻: 2 ページ: 100395～100395
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2021.100395
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantitative Imaging of Labile Zn2+ in the Golgi Apparatus Using a Localizable Small-Molecule Fluorescent Probe (2020)
  • 著者名/発表者名: Kowada Toshiyuki、Watanabe Tomomi、Amagai Yuta、Liu Rong、Yamada Momo、Takahashi Hiroto、Matsui Toshitaka、Inaba Kenji、Mizukami Shin
  • 雑誌名: Cell Chemical Biology 巻: 27 ページ: 1521～1531.e8
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2020.09.003
  • 査読あり
• [学会発表] 細胞外スルファターゼ活性を検出する蛍光プローブの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: Kashfia Ahamed, Toshiyuki Kowada, Norihiko Sasaki, Shin Mizukami
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
• [学会発表] Quantitative Mapping of Cellular Labile Zn2+ via Development of Hybrid Fluorescent Probes (2021)
  • 著者名/発表者名: 劉熔, 小和田俊行, 松井敏高, 水上進
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
• [学会発表] 細胞小器官局在化蛍光プローブの開発と細胞内遊離亜鉛の定量イメージング (2020)
  • 著者名/発表者名: 小和田俊行, 渡邊朝美, 天貝佑太, 劉 熔, 山田 桃, 高橋泰人, 松井敏高, 稲葉謙次, 水上 進
  • 学会等名: 第29回日本バイオイメージング学会学術集会
• [学会発表] 哺乳動物細胞分泌経路における亜鉛調節とタンパク質品質管理 (2020)
  • 著者名/発表者名: 天貝佑太，山田桃，渡邊朝美，小和田俊行，楢本悟史，渡部聡，経塚淳子，Roberto Sitia，水上進，稲葉謙次
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 標的タンパク質への親和性を光制御可能なフォトクロミックリガンドの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 間下 貴斗, 小和田 俊行, Himadri S. SARKAR, 高橋 泰人, 松井 敏高, 水上 進
  • 学会等名: 第14回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] Quantitative Mapping of Organellar Labile Zn2+ via the Development of Hybrid Fluorescent Probes (2020)
  • 著者名/発表者名: 劉 熔, 小和田 俊行, 松井 敏高, 水上 進
  • 学会等名: 第14回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] 光可逆的な蛋白質ラベル化を可能とするリガンドの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 間下 貴斗, 小和田 俊行, SARKAR S. Himadri, 高橋 泰人, 松井 敏高, 水上 進
  • 学会等名: 第31回万有仙台シンポジウム
• [学会発表] Subcellular Labeling Performances of Tetrazine-trans-Cyclooctene Cycloadditions and Their Products (2020)
  • 著者名/発表者名: Ira Novianti, Toshiyuki Kowada, Shin Mizukami
  • 学会等名: 第20回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
• [学会発表] Escherichia coli dihydrofolate reductase-selective photoswitchable inhibitors enabling reversible optical control of protein labeling (2020)
  • 著者名/発表者名: Himadri Sekhar Sarkar, Takato Mashita, Toshiyuki Kowada, Ming Ming Yem, Satoshi, Watanabe, Kenji Inaba, Toshitaka Matsui, Shin Mizukami
  • 学会等名: 第20回東北大学多元物質科学研究所研究発表会
• [備考] 東北大学多元物質科学研究所 水上研究室
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/mizukami/