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2015 年度 実施状況報告書

ナノチューブ内マイクロ環境を利用した分子進化工学の高度化に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 26350978
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

久保 泰  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 創薬分子プロファイリング研究センター, 副研究センター長 (10178030)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワード試験管内進化 / マイクロ環境 / リフォールディング / 生理活性ペプチド
研究実績の概要

試験管内分子進化(in vitro evolution, IVE)技術は、標的分子特異的認識能を有する分子を創製するための有効な手段で、バイオマーカー検出用の分子プローブ作製やイメージングツール、抗体医薬に代替するバイオ創薬などに広く活用できる。我々は、生物進化の過程で保存されてきたある種の生理活性ペプチドの分子骨格がランダムな配列を空間提示するのに都合がよいことを見出し、それを鋳型とするランダムペプチドライブラリからの効率の良いIVE技術を確立した(Nucleic Acid Res, 2009; Molecular Brain, 2011; Anal. Biochem, 2011; Toxicon, 2012 他)。鋳型となる分子骨格は、disulfide (S-S)結合やβ構造などによりコンパクトで堅牢な構造を持つ。そのため、これらの構造を如何に天然に近い形で効率よく再現するかが、ペプチドIVE法の鍵となる。本研究提案では、有機ナノチューブが変性タンパク質のリフォールディングを促進し活性タンパク質を再生するのに極めて有用であるという最近の知見(ACS Nano, 2012)に基づき、IVEのプロセスに有機ナノチューブのミクロ環境を利用したより安定で収率の高いペプチドリフォールディングを達成し、IVEの高度化・汎用化を目指した。研究のプロセスは次の3段階からなる。(1)多様な有機ナノチューブゲルの調製、(2)IVE法で用いるペプチドライブラリ構築において鋳型となる生理活性ペプチドの分子骨格の決定、(3)(1)および(2)の組合せにおいて反応液中で適切なリフォールディングが行われる至適条件を探究。

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

ランダムペプチドライブラリは、IVEのプロセスで始発材料となる。そのため、ランダム配列を空間提示するための分子骨格の選択とランダム部分での偏りの少ない質の高いライブラリの構築は極めて重要である。今年度は、4種類の異なる分子骨格を有するランダムペプチドライブラリを構築した。ライブラリの鋳型とした生理活性ペプチドは、(a) -conotoxin(イモガイ由来)、(b) クモ毒由来でT-type Caチャネルブロッカーとして同定したICK (inhibitor cystine knot)モチーフを有するGTx1-15、(c) Kunitz型のタンパク質加水分解酵素阻害剤であるBPTI (Bovine Pancreatic Trypsin Inhibitor)、(d) 蛇毒由来の神経毒であるスリーフィンガー型ペプチドのMicTx3の4種類である。これらは、アミノ酸残基数、S-S結合数、立体構造が異なる。このアミノ酸配列の中で進化速度が速くvariationの豊富な領域を選んでランダム配列 (NNS or NNB) を組み込んだcDNA libraryを構築した。cDNA libraryより転写反応によりmRNAを合成し、puromycinを含むリンカーをmRNAと結合した。これを無細胞タンパク質合成系においてタンパク質合成を行うと同時にpuromycinのC末端への取込みによるmRNA-peptideの連結を達成する。ここでは、昨年度の成果に基づき特定の有機ナノチューブ共存下でタンパク質合成を行うことにより個々の生理活性を発揮し得るライブラリの構築を行った。これを用いて腫瘍マーカーやリガンド依存性イオンチャネル(LGIC)の細胞外領域を標的として設定した試験管内分子進化を行い、現在までに標的認識活性を有する候補ペプチドを複数同定することができた。標的分子との結合活性および細胞を用いた生理活性の確認が進行中である。

今後の研究の推進方策

現在取得している標的分子を特異的に認識する可能性の高い複数のペプチドについては、先ず標的分子結合活性計測を行い、また標的分子を発現した細胞を用いて当該ペプチドの生理活性について解析する。有効なペプチドが得られたら、適切な研究チームとの連携を通じて、その縮小化あるいは分子計算とシミュレーションによる中低分子モデル化を目指す。
有機ナノチューブの利用方法については、尚改良の可能性は残されていると考えている。無細胞タンパク質合成系での有機ナノチューブの併用については、更に化学組成や形状・反応条件についてシステマティックに検討を続けたい。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] A high performance platform based on cDNA display for efficient synthesis of protein fusions and accelerated directed evolution2016

    • 著者名/発表者名
      Naimuddin, M., & Kubo, T.
    • 雑誌名

      ACS Combinatorial Sci.

      巻: 18 ページ: 117-129

    • DOI

      10.1021/acscombsci.5b00139

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Pr-SNTX, a short-chain three-finger toxin from Papuan pigmy mulga snake, is an antagonist of muscle-type nicotinic acetylcholine receptor (alpha2 beta delta epsilon)2016

    • 著者名/発表者名
      Yamauchi, Y., Kimoto, H., Yang, X., Filkin, S., Utkin, Y., Kubo, T., & Inagaki, H.
    • 雑誌名

      Biosci. Biotech. and Biochem

      巻: 80 ページ: 158-161

    • DOI

      10.1080/09168451.2015.1065169

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Peptidome and transcriptome analysis of the toxin-like peptides in the venom glands of Tarantula Grammostora rosea2015

    • 著者名/発表者名
      Kimura, T., & Kubo, T.
    • 雑誌名

      Spider Venoms

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1007/978-94-007-6646-4_13-1

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Realtime single molecular motion analysis of nicotinic acetylcholine receptor alpha 7 by diffracted X-ray tracking method2016

    • 著者名/発表者名
      Kubo, T., Baba, T., Ikezaki, K., Sekiguchi, H., Nishino, Y., Miyazawa, A., Sasaki, Y.C.
    • 学会等名
      60th Annual Meeting of Biophysical Society
    • 発表場所
      ロサンゼルス(米国)
    • 年月日
      2016-02-29
    • 国際学会
  • [学会発表] Utilization of neurotoxin-inspired peptide libraries in in-vitro evolution, and its proved pluripotency to target GPCRs, proteases and trophic factors2015

    • 著者名/発表者名
      Kubo, T., Naimuddin, M., Ono, S., Hirokawa, T.
    • 学会等名
      18th World Congress of the International Society on Toxinology
    • 発表場所
      オックスフォード(英国)
    • 年月日
      2015-09-25
    • 国際学会
  • [学会発表] In vitro evolution from pluripotent peptide libraries with natural neurotoxin scaffolds to target receptors, proteases and trophic factors2015

    • 著者名/発表者名
      Kubo, T., Naimuddin, M., Ono, S.
    • 学会等名
      29th Annual Symposium of the Protein Society
    • 発表場所
      バルセロナ(スペイン)
    • 年月日
      2015-07-23
    • 国際学会
  • [学会発表] Pluripotent random peptide library inspired by natural neurotoxins in the accelerated gene evolution2015

    • 著者名/発表者名
      Kubo, T., Naimuddin, M., Ono, S.
    • 学会等名
      10th European Biophysics Congress
    • 発表場所
      ドレスデン (ドイツ)
    • 年月日
      2015-07-18
    • 国際学会
  • [学会発表] パプアピグミーマルガスネークの生理活性ペプチドおよびタンパク質に関する研究2015

    • 著者名/発表者名
      山内瑶子、木本 光、鳥羽通久、久保 泰、稲垣 英利
    • 学会等名
      第62回トキシンシンポジウム
    • 発表場所
      志摩(三重)
    • 年月日
      2015-07-10 – 2015-07-10
  • [学会発表] 加速進化型ペプチドのスキャフォールドを利用した分子認識2015

    • 著者名/発表者名
      久保泰
    • 学会等名
      人工認識分子研究会
    • 発表場所
      大阪(大阪)
    • 年月日
      2015-06-23 – 2015-06-23
    • 招待講演

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公開日: 2017-01-06  

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