低分子化合物からタンパク質相分離空間まで階層を貫くオルガネラターゲッティングシステムの開発と生命医科学への応用

• 研究概要

  本研究では生命医科学分野における未解決問題に挑む。海外研究者と本学教員の技術を融合して蛋白質や低分子化合物（特に抗生物質）を特定の細胞内小器官に局在化させ、抗菌能力の向上と薬剤耐性真菌の出現リスクを低下の実現を目指す。また、基礎生物学の観点から未だ知られていない細胞内小器官の新しい機能の探索を目指す。

  

• 研究目的

  本研究では生命医科学分野における２つの未解決問題に挑む。一つ目は『相分離蛋白質の細胞・個体機能の解明』である。近年、自己会合で細胞内に液滴を形成し相分離する蛋白質（細胞膜のない細胞内小器官（オルガネラ）とも呼ばれる）が周囲とは隔離された化学反応の場として機能することは示唆されている。遺伝子にコードされた酵素活性ではなく、相分離という物理化学的な性質に依拠した細胞内機能の制御という考えは今までにないもので、生物学においてパラダイムシフトを引き起こしつつある。しかしながら、液滴は既存のオルガネラとは独立して機能を持つのか？蛋白質液滴の内部空間はどのような物理化学的性質を持つのか？など基本的な謎が多く残されている。海外研究者である井上尊生博士はこれまで狙った細胞内小器官に任意の蛋白質を自在に局在化させる技術（オルガネラターゲッティングシステム）を開発してきた実績を持つ。研究代表者の興味のある新規蛋白質を題材として井上博士と篠原の技術を融合しこれらの基本的な謎に挑む。二つ目は『オルガネラを標的とした抗菌戦略の創出』である。近年、薬剤に耐性を持つ真菌と細菌の出現が人類を脅かす脅威となっている。海外研究者である Micha Fridman 博士はこれまでに細胞内小器官に特定の低分子化合物を局在化させ、抗菌能力の向上と薬剤耐性真菌の出現リスクを低下させる事が可能である事を報告している。櫻井・川野とWhite博士持つ抗菌活性のスクリーニングシステムおよびFridman博士の技術を組み合わせる事で、従来の蛋白質を標的とした化合物開発とは異なる、種々のオルガネラを標的とした新しい抗菌戦略を創出する。

• 研究計画

  【平成31年度/令和元年度】
  ①篠原・井上の共同で相分離蛋白質を人工的に細胞内小器官へ繋留させるためのDNAコンストラクトを作製する。並行して篠原・井上の共同で蛋白液滴内の流動性を微小ビーズの拡散・顕微ラマン分光・FRAP解析・バルク粘度計測により調べ物理化学的性質を明らかにする。
  ②篠原・櫻井・川野・Fridman・山中の共同で、抗菌活性を有しかつ特定のオルガネラへの局在化を設計しやすい化学構造を持つ低分子化合物のスクリーニングを行う。
  【令和2年度】
  ③篠原・井上の共同で相分離蛋白質を人工的に細胞内小器官へ繋留させた際のヒト培養細胞への影響を解析する。また、ヒトゲノムに存在する機能未知の小分子量蛋白質から新規の相分離蛋白質をコードする遺伝子のスクリーニングを行う（篠原）。2次構造予想と天然変性領域の極性アミノ酸の含有率を指標に候補を絞りこみ、有力候補は組み換え蛋白精製試験管内液滴形成実験に進める。加えて相分離蛋白質から形成されると考えられているアミロイド線維を細胞内において可視化し制御する技術の開発を進める。
  ④②で得られた有用候補分子にオルガネラへの局在化に必要な構造を付加する。設計に基づいて得られた分子をブドウ球菌・肺炎球菌・肺炎性真菌に対して処理し薬剤耐性獲得の頻度を解析する。
  【令和3年度】
  ⑤③で得られた機能未知の相分離蛋白質をコードする遺伝子のノックアウトマウスをゲノム編集により作製する（篠原）。篠原グループがノックアウトマウスの個体における表現型を解析する。
  ⑥④で得られた候補分子を細菌・真菌に感染した疾患モデル動物に対して投与し症状に改善が認められるか検証する。

  

その他の研究者

川野　竜司　（工学研究院・教授）
櫻井　香里　（工学研究院・准教授）