東北大ら,光と分子で細胞内の蛋白質を自在に連結

東北大学と大阪大学は,生きた細胞内の蛋白質を光と低分子を使って共有結合で連結する技術を開発し,蛋白質の細胞内局在を時空間的に光操作できることを示した(ニュースリリース)。

光を使って生体分子や細胞の機能を操作する技術は,次世代の生物学研究・疾患治療技術として注目を集めている。低分子を用いた生体機能の光制御技術の一つに光駆動型の化学的蛋白質二量化法(photo-CID)がある。

photo-CIDは化学的蛋白質二量化法(CID)を高機能化したもので,光応答性分子を接着剤のように用いて二つの蛋白質を連結する技術。これまで報告されたphoto-CIDは,いずれも各蛋白質間を非共有結合でつなぐもので,二量体の形成が蛋白質や低分子二量化剤の濃度に影響を受けるなどの問題があった。

研究ではまず,BL-tag技術をベースに光照射により蛋白質に低分子を共有結合させる光ラベル化技術を開発した。続いて,開発した光ラベル化技術を他の蛋白質ラベル化技術(HaloTag技術)と組み合わせ,細胞内で二つの蛋白質を光で連結する技術の開発に取り組んだ。光活性化型BL-tagリガンドとHaloTagリガンドを適度な長さのリンカーでつないだ光二量化剤CBHDを開発し,生きた細胞内の蛋白質の光照射による二量化を検証した。

ヒト由来細胞の細胞質にBL-tagと緑色蛍光タンパク質の融合蛋白質,細胞膜の内側にHaloTagと赤色蛍光タンパク質の融合蛋白質をそれぞれ発現させ,培養液にCBHDを添加すると,CBHDは速やかにHaloTagと結合して細胞膜上に局在する。次に光照射を行なうと,CBHDのBL-tagリガンドが活性化し,細胞質の緑色蛍光蛋白質(BL-EGFP)は次々と細胞膜へと集積すると予想した。

蛍光顕微鏡で観察しながら光を当てると,EGFP由来の緑色蛍光が細胞膜に移行する様子が見られた。HaloTag蛋白質は細胞内の様々な局所に発現できるため,他にも核やミトコンドリア外膜などへの光移行を達成した。

さらに,レーザー光を細胞内の微小領域に照射すると,速やかな照射部位への移行を観察できた。この結果は共有結合で標的蛋白質を連結させることにより,低濃度でも蛋白質の
局在化を光誘起できたことを示唆する。また,細胞内で二つの蛋白質が共有結合で二量化していることも確認した。

この成果によりて様々な細胞内シグナル伝達経路を時空間的に制御する技術の開発につながり,多くの疾患の分子機構の解明に貢献するとしている。

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