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細胞内のタンパク質の多くは、特定の時間・場所でその機能を発現している。また、１種類のタンパク質が細胞内の異なる場所で異なる機能を示すこともある。したがって、タンパク質の局在を人為的に操作できれば、任意のタイミングかつ任意の細胞内局所において特定のタンパク質機能を発現させることが可能になる。
本研究では、フォトクロミック分子であるアゾベンゼンの構造をタンパク質タグのリガンド構造に組み込むことで、タンパク質タグ間の二量化形成・解離を可逆的に光制御可能な技術を開発する。本研究により、細胞内シグナル伝達経路を任意のタイミングで活性化・不活性化することが可能になり、タンパク質機能の解明ならびに疾患の機序理解に利用可能な基盤技術が創出されると期待される。
前年度までに、大腸菌由来ジヒドロ葉酸還元酵素（eDHFR）の光応答性リガンドと、共有結合性タンパク質タグ（HaloTag）のリガンドとを連結した光応答性タンパク質二量化剤を開発した。このフォトクロミックタンパク質二量化剤を用いて、HeLa細胞の細胞質に発現させたeDHFRと、細胞膜内葉に発現させたHaloTagとの二量体形成・解離を紫色光と緑色光の照射により可逆的に制御することに成功した。
最終年度は、タンパク質二量化の光制御法に基づく細胞内シグナル伝達の制御法の確立に取り組んだ。具体的には、選択的オートファジーの一種であり、ミトコンドリアの品質管理を担っているマイトファジーの光制御法を開発した。マイトファジーの初期過程で重要な役割を果たしているキナーゼ（PINK1）とeDHFRの融合タンパク質をHeLa細胞の細胞質に発現させ、HaloTagをミトコンドリア外膜上に発現させた。フォトクロミックタンパク質二量化剤を添加した後に紫色光を照射することで、PINK1のミトコンドリア外膜上への移行、それに続くParkinの動員が観察された。
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