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タンパク質改変と分子進化による研究ツールの開発

タンパク質は地球上のすべての生命に必要な生物学的ナノマシンです。自然界に存在するタンパク質の機能は非常に多彩ですが、その範囲には限界もあります。幸いなことに、天然のタンパク質の中には研究や医療、産業に役立つものが少なくありません。私たちの研究の中心は、こうしたタンパク質を更に改良することです。研究室の中で進化の過程を模倣することで、天然のものより有用な道具となるタンパク質を開発しています。
これまでキャンベル研究室では、主に蛍光タンパク質の改変研究を行ってきました。蛍光タンパク質とは、クラゲやイソギンチャク、サンゴなどに含まれる「光る」タンパク質のことです。これらのタンパク質は、タンパク質の構造中で可視光領域に蛍光を発する発色団を生成する特殊な能力を持っています。蛍光タンパク質をコードするDNAは他の多くの生物にも導入することができるため、その生物自身の細胞内装置を使って蛍光タンパク質を発現させ、組織を光らせることができます。こうした遺伝子によって組み込まれる蛍光分子は生物学の多くの分野に革命をもたらしました。蛍光タンパク質と蛍光顕微鏡を併用すれば、通常では見えない細胞内の構造や現象を「見る」ことができるからです。

キャンベル研究室では蛍光タンパク質を、特定の生化学反応に反応して蛍光強度や色を変化させる「分子センサー」へと変換する最先端の研究を行っています。私たちは特に、センサーとして利用できる色の範囲を拡張し、より赤い波長にまで広げることに重点を置いています。組織は近赤外波長で最も光の透過性が高いため、赤色にシフトしたセンサータンパク質を使用することで、より組織の奥深くまで観察することができます。

以下に、これまでの主な成果と今後の方向性を紹介します。

様々な色に光るGECOシリーズの立体構造

神経活動を検知する可視光~近赤外蛍光センサーの開発

モデル生物を使った神経活動のイメージングは、脳機能や神経変性疾患を理解するための強力な研究手法の一つです。神経活動を可視化するためには、イオン濃度、膜電位、または神経伝達物質の濃度変化を検出する何らかの手法が必要です。キャンベル研究室ではGECOシリーズとして知られる一連のCa2+イオン蛍光センサータンパク質を開発し、神経活動イメージングの多色化を世界的にリードしてきました。我々は最初に、赤色蛍光プローブであるR-GECO1を報告しましたが、これは他の研究室がその後多く開発した赤色蛍光プローブの基礎となっています。GECOシリーズは、2光子およびレシオメイメージングに最適なように更に拡張されました。R-GECO1やその類縁体は、これまでに世界中の何百もの研究グループで使用されています。私たちは最近、GECOシリーズの新たな一員として近赤外(NIR)に蛍光を持つNIR-GECO1および2を開発しました。キャンベル研究室ではこの他、近赤外蛍光の膜電位センサーであるQuasArシリーズ、赤色蛍光の電位センサーFlicR1、さらには赤色蛍光のグルタミン酸センサーなど、赤色にシフトしたCa2+以外の神経活動マーカーに対するセンサータンパク質も開発しています。

主要論文

A) ddFPおよびB) PhoClの概要図

指向性進化による革新的蛍光タンパク質の創成

キャンベル研究室はサンゴ由来の蛍光タンパク質を様々に改変し、幅広い応用分野で使用できる有用な技術開発を行ってきました。例えば水色、黄色、あるいは緑色から赤色への光変換(photoconversion)が可能な蛍光タンパク質を開発しました。これらの新しい蛍光タンパク質は、単一細胞内での複数の生命現象の同時イメージングや超解像イメージングの改良など、多くの新しい応用を可能にしました。私たちはその後、ヘテロ二量体を形成すると輝度が上昇する「二量体化依存性蛍光タンパク質(ddFP)」を開発しました。この革新的な技術は、生細胞内のタンパク質・タンパク質相互作用を検出する新規かつ強力な手法となっています。また最近我々は、光でタンパク質の機能を制御する光遺伝学(オプトジェネティック)ツールの根本的に新しい方法論として、「光開裂性タンパク質(PhoCl)」を開発しています。現在第二世代まで開発が進んでいるPhoClは、光による転写活性化、遺伝子組換え、タンパク質局在の操作、さらには酵素活性の活性化に使用することができると期待されます。

主要論文

乳酸センサータンパク質の概念図(上)及び結晶構造(下)
(構造解析はアルバータ大学のM. Joanne Lemieux博士およびYurong Wen博士による)

疾患における生物学的エネルギー消費の機能解明

多くの疾患の原因は、細胞が生物学的エネルギー源にアクセスしたり利用したりする方法の変化に関連していると現在考えられています。例えば、脳のエネルギー代謝、特に乳酸の利用可能性の変化は神経変性疾患と関係していると報告されています。しかし残念ながら、現在のところ、細胞内の代謝物を複数同時に可視化するためのツールはないため、生物学的エネルギーを生み出したり利用したりする基本的な代謝経路のうち、個々の細胞がどれをどの程度利用しているかを解析することができないのが現状です。キャンベル研究室では、細胞の代謝経路に関連する高性能蛍光センサーを多く開発することで、細胞の代謝状態の全体を可視化することを目指しています。

主要論文

Chemi-genetic蛍光タンパク質の一例。合成蛍光分子(空間充填モデル)がタグタンパク質と共有結合している。 (PDB: 6GA0)

タンパク質と合成分子の融合による蛍光センサー開発

多色蛍光イメージング、特に近赤外(NIR)領域に波長範囲を拡大するための有望な戦略の一つは、chemi-genetic(化学遺伝学的)蛍光タンパク質です。Chemi-genetic蛍光タンパク質とは、細胞や組織に発現させた特定のタグタンパク質に合成低分子色素(fluorogenとも呼ばれる)が選択的に結合することで生み出されるタンパク質・合成分子複合体のことです。キャンベル研究室では今後数年間の間に、新たなchemi-genetic蛍光タンパク質を開発して次世代の高性能蛍光センサーへと変換することを目指します。こうした研究はほとんど未開拓の分野であり、挑戦的な研究フロンティアです。