東大ら,乳酸とピルビン酸蛍光センサーを開発

東京大学と東京工業大学は,生命現象に関わる重要な分子である細胞内の乳酸およびピルビン酸の動態を可視化解析できる緑色蛍光タンパク質センサーの開発にそれぞれ成功した(ニュースリリース)。

乳酸やピルビン酸の代謝にかかわる酵素の遺伝子変異は代謝疾患の発症にも関与していることから,細胞内の乳酸およびピルビン酸動態を高い時空間分解能で解析することは,細胞の生理機能の理解に重要。

細胞内の乳酸およびピルビン酸動態を可視化解析するため,蛍光タンパク質と乳酸およびピルビン酸結合タンパク質を組み合わせた蛍光タンパク質センサーがこれまで開発されてきた。蛍光タンパク質センサーは,その構造によってフォルスター共鳴エネルギー移動(FRET)型と単色輝度変化型の2つに大きく分類される。

前者は異なる2色の蛍光タンパク質を使って標的分子の動態を可視化しているため,他の細胞内シグナル伝達分子の動態を同時に観察することが困難になる。一方後者は1色の蛍光タンパク質のみを用いているため,異なる分子との同時観察が行いやすい利点がある。これまで,乳酸センサーの開発例は FRET型のみだった。

ピルビン酸センサーはFRET型と単色輝度変化型の両者が存在するが,ピルビン酸に対する親和性が低く,低濃度域でのピルビン酸濃度変化の可視化は困難だった。

研究グループは,緑色蛍光タンパク質を基盤とした乳酸センサーGreen Lindoblumとピルビン酸センサーGreen Pegassosを開発した。Green
Lindoblumは乳酸存在下で蛍光輝度が約5.2倍に上昇し,Green Pegassosはピルビン酸存在下で蛍光輝度が約3.3倍に上昇した。

このGreen LindoblumやGreen Pegassosを細胞に発現させ,蛍光顕微鏡で観察したところ,細胞内の乳酸およびピルビン酸濃度変化を可視化することができた。また,Green Lindoblumと赤色Ca2+蛍光指示薬Rhod2,Green Pegassosと赤色cAMPセンサータンパク質Pink Flamindoの2色同時イメージングにもそれぞれ成功した。さらに,ヒトiPS細胞由来心筋細胞で電子伝達系を阻害する薬剤を加えた際の細胞内乳酸およびピルビン酸動態の可視化にも成功した。

以上,Green LindoblumおよびGreen Pegassosは細胞内のエネルギー代謝をリアルタイムで解析するツールとして有用であることが示されたことから,研究グループは,さまざまな細胞種において代謝分子の相互作用に関する研究を加速させるとしている。

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