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2020 年度 実施状況報告書

低毒性かつ迅速なタンパク質分解系・AID法を用いた人為的細胞周期制御

研究課題

研究課題/領域番号 20K21423
研究機関名古屋大学

研究代表者

嘉村 巧  名古屋大学, 理学研究科, 教授 (40333455)

研究分担者 西村 浩平  名古屋大学, 理学研究科, 助教 (80582709)
研究期間 (年度) 2020-07-30 – 2022-03-31
キーワードオーキシン / AID法 / 動物培養細胞 / タンパク質分解 / ユビキチンプロテアソーム
研究実績の概要

本研究の目的は研究分担者により開発された速やかなタンパク質分解系であるAuxin Inducible Degron (AID)法【Nat Methods 6:917 (2009)】を用いて、哺乳類培養細胞系において、人為的な細胞周期コントロールを行うことである。上記の目的を達成するためには細胞にとって低毒性かつ高効率なタンパク質分解系が必要不可欠となる。AID法は高効率かつ速やかに標的タンパク質の分解を誘導することが可能であるが、タンパク質の分解には高濃度のオーキシンが必要となり、長時間の培養においては細胞毒性を示してしまうことがある。そのため、より低濃度での分解誘導を可能とする高感度AID法の開発に取り組んだ。高感度AID法の構築には名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所で開発された合成オーキシンと変異型TIR1の高感度ペアを利用した。イネの変異型TIR1であるOsTIR1F74Aと合成オーキシンの一つである5-Ad-IAAを組み合わせ、AID法を作成したところ、様々な動物の培養細胞において従来のAID法よりも1000倍もの効率で分解誘導が可能であることがわかった。以上の結果は今回作成された高感度AID法では従来のAID法と比較して1/1000の濃度で分解誘導が可能となり、動物細胞に対する化合物毒性を著しく減少させることが可能となった。本研究成果は、2020年9月17日付(英国時間)英国科学雑誌「Nucleic Acids Research」のオンライン版に掲載された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究の第一段階の目標としていた人工的変異オーキシンを用いた低毒性なタンパク質分解系の開発に成功した。今回作成された高感度AID法では従来のAID法と比較して1/1000の濃度で分解誘導が可能となり、動物細胞に対する化合物毒性を著しく減少させることが可能となった。次にこの方法を用いて細胞周期制御を行うためにCdk1、Cdk2、そしてCDK阻害因子であるp16、p21、p27に注目した。dominant negative型Cdk1(Cdk1dn)、Cdk2(Cdk2dn)もしくはCDK阻害因子を細胞に過剰発現させることにより、細胞周期の停止を引き起こし、AID法による分解で、細胞周期のリスタートを試みた。テトラサイクリンにより過剰発現を誘導することができるTet on systemを用いて、OsTIR1F74AとGFPとAID-tagとを付加したそれぞれの因子をHeLa細胞、マウスES細胞などに導入し、テトラサイクリンによる発現誘導ののち、AID法によるタンパク質分解を試みた。しかし、Tet on systemにより標的タンパク質の発現量が多くなりすぎていたため、AID法によるタンパク質の除去が困難であることがわかった。そのため、システムを切り替え、テトラサイクリンにより転写を阻害するTet off systemとAID法を用いて発現量を制御しよう考えた。つまり、テトラサイクリンを除くことにより、標的タンパク質の発現を誘導し、テトラサイクリンと5-Ad-IAAの添加によって、標的タンパク質の転写をストップさせ、タンパク質の分解を誘導するというものである。今後はテトラサイクリン除去により、上記の因子を発現させた際に細胞周期の停止が確認されるかを軸に解析を行う。

今後の研究の推進方策

本研究の目的は研究分担者により開発された速やかなタンパク質分解系であるAuxin Inducible Degron (AID)法【Nat Methods 6:917 (2009)】を用いて、哺乳類培養細胞系において、人為的な細胞周期コントロールを行うことである。この目的のためには速やかなタンパク質分解系であるAID法のみならず、標的とする因子をどのようにして細胞内に導入するかも重要な問題となる。本年はテトラサイクリン依存的な標的タンパク質発現系(Tet on system)を用いてCdk1dn, Cdk2dn, もしくはCDK阻害因子(p16, p21, p27)の発現誘導を行った。しかしながらテトラサイクリン依存的な標的タンパク質発現系は大過剰に標的タンパク質の発現が起こってしまうため、AID法による標的タンパク質の分解が追いつかず、分解が十分に起こらないということが明らかとなった。そのため、今後は発現量を抑えたタンパク質発現系を用いてCdk1dn, Cdk2dn, もしくはCDK阻害因子(p16, p21, p27)の発現誘導を行う。また他の方法によって、細胞内への上記の因子の導入が行えないかを検討する。Cell-penetrating peptide (CPP)と総称される膜透過性ペプチドはこれを付加したタンパク質の膜透過を促進する。また、ピレンブチレートを用いることによって、膜透過性をさらに向上させることが可能であり、細胞にダメージを与えることなく、細胞にタンパク質を導入することが可能である。そのため、このCPPを用いて上記の細胞周期因子を細胞内へと導入し、AID法によって導入されたタンパク質の分解を行うことができないかを検討する。

次年度使用額が生じた理由

理由)今年度は、試薬や器具類の効率的な使用により、想定したよりも研究費が少額で済んだ。そのため、次年度使用額が生じた。
(計画)今年度余った研究費は次年度配分額と合わせて、次年度の研究遂行に使用する。次年度の研究には高額な試薬や検査を予定している。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] University of Dundee(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      University of Dundee
  • [雑誌論文] CUL2 LRR1 , TRAIP and p97 control CMG helicase disassembly in the mammalian cell cycle2021

    • 著者名/発表者名
      Villa Fabrizio、Fujisawa Ryo、Ainsworth Johanna、Nishimura Kohei、Lie‐A‐Ling Michael、Lacaud Georges、Labib Karim PM
    • 雑誌名

      EMBO reports

      巻: 22 ページ: e52164

    • DOI

      10.15252/embr.202052164

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A super-sensitive auxin-inducible degron system with an engineered auxin-TIR1 pair2020

    • 著者名/発表者名
      Nishimura Kohei、Yamada Ryotaro、Hagihara Shinya、Iwasaki Rie、Uchida Naoyuki、Kamura Takumi、Takahashi Koji、Torii Keiko U、Fukagawa Tatsuo
    • 雑誌名

      Nucleic Acids Research

      巻: 48 ページ: e108~e108

    • DOI

      10.1093/nar/gkaa748

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Essentiality of CENP-A Depends on Its Binding Mode to HJURP2020

    • 著者名/発表者名
      Hori Tetsuya、Cao JingHui、Nishimura Kohei、Ariyoshi Mariko、Arimura Yasuhiro、Kurumizaka Hitoshi、Fukagawa Tatsuo
    • 雑誌名

      Cell Reports

      巻: 33 ページ: 108388~108388

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2020.108388

    • 査読あり
  • [学会発表] A super-sensitive Auxin-Inducible Degron (ssAID) system for conditional knockdown in various vertebrate cell lines2021

    • 著者名/発表者名
      Nishimura K
    • 学会等名
      2nd Webinar on Nucleic Acid and CRISPR
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Auxin Inducible Degron (AID) 株を 利用したオーキシン分子のスクリーニング2021

    • 著者名/発表者名
      福原佳乃、中島優希、 角房直哉、佐藤綾人、 打田直行、小原圭介、 西村 浩平、嘉村巧
    • 学会等名
      第62回日本植物整理学会年会
  • [学会発表] 人工オーキシンとTIR1のペアを 用いた高感受性AID法2020

    • 著者名/発表者名
      西村浩平、山田遼太郎、 萩原伸也、岩崎理恵、 打田直行、嘉村巧、 高橋宏二 、鳥居恵子、 深川竜郎
    • 学会等名
      第43回日本分子生物学会
  • [備考] 嘉村研へようこそ

    • URL

      https://sites.google.com/view/kamura-lab/%E3%83%9B%E3%83%BC%E3%83%A0

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公開日: 2021-12-27  

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