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横山情報分子プロジェクト

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総括責任者
(現職)
横山 茂之(東京大学大学院理学系研究科教授,理化学研究所主任研究員/
        ゲノム科学総合研究センタープロジェクトリーダー)
研究実施期間 平成8年10月〜平成13年9月

 

1.研究の概要

 生物は、非常に複雑で多様な情報を、核酸やタンパク質などの生体分子を使って処理する高度で総合的なシステムと考えることができる。そこには、情報自体と、それを処理するシステムとが、分子によって自立的に構成されているという特徴がある。それらの分子をここでは「情報分子」と呼ぶ。
本プロジェクトは遺伝情報分子、細胞情報分子のエンジニアリングにより、人工的な情報処理を行うシステムの構築を目的とする。この際に、天然型の塩基やアミノ酸に加えて、非天然型の塩基、アミノ酸、さらには、より広範囲の分子を導入することで、従来とは大きく異なる革新的なエンジニアリングを展開できると期待される。
遺伝情報分子システムについては、第一の到達目標であった新規塩基対の開発にほぼ成功した。また、新機能RNAや特異性を変換したアミノアシルtRNA合成酵素などを、in vitroあるいはin vivoセレクションにより創出するシステムも軌道にのった。細胞情報分子システムについても、チロシンキナーゼ・シグナル伝達系について、作用機構の解明を進め新たな知見を得る一方、立体構造の解析も進行している。このように、総合的なシステム構築に必要な要素となる情報分子の創出技術については、ほぼ確立した。今後順次、複雑なシステムの構築を行い積み上げて、非天然型の遺伝情報分子と細胞情報分子を活用する総合的なシステムを完成させたい。これにより、生物における情報分子の作用機構の解明を果たすと共に、生体内でのタンパク質機能を解析する全く新しいプロテイン・エンジニアリングの開拓が期待出来る。

2.研究体制と参加研究者

○研究体制
遺伝情報分子研究グループ  (埼玉県和光市/理化学研究所内)
【非天然型アミノ酸を取り込んだタンパク質のin vivo合成系の開発】
細胞情報分子研究グループ (埼玉県和光市/理化学研究所内)
(茨城県つくば市/筑波研究コンソーシアム内)
【非天然型の細胞情報分子の開発】
○参加研究者(グループリーダー、研究員)    (  )内は発足時からの通算
企業 大学・国研等 外国人 個人参加 総計
0(1) 0(0) 1(1) 6(12) 7(14)

3.研究成果の概要

○特許出願件数
国内 海外
○外部発表件数(論文・口頭発表)
国内 海外
論文
総説・書籍
口頭発表 20 20
25 34

【発表主要論文誌】
  FEBS Letters/Tetrahedron Letters/Journal of Biological Chemistry

主な研究成果

1) 新規人工核酸塩基/塩基対の開発
 現在報告されているDNAやRNAの合成酵素の構造解析やこれまでの非天然型核酸塩基の研究からの知見をもとに、既存の塩基対とは異なる様式で水素結合を形成するように新たな塩基対をデザイン、合成、評価した結果、水素結合の様式だけでは非天然型塩基間で選択的に塩基対を作らせることは難しいことがわかった。塩基中にかさ高い置換基を導入し、既存の塩基とは立体障害によって塩基対が形成されないようにデザインした新規塩基対(それぞれの塩基をxとyで標記する)のヌクレオチド誘導体を合成し、xを鋳型DNA中に組み込み、yを5'-三リン酸誘導体とし、大腸菌由来のDNA合成酵素を用いて取り込み実験を行った。その結果、yは高い選択性で鋳型上のxに相当する位置に取り込まれた。また、このxを組み込んだ鋳型DNAを用いてRNA合成酵素によるRNA中へのyの選択的な取り込みにも成功した。これをもとにしてさらなる人工塩基対の創製に着手している。
2) 非天然型塩基を遺伝暗号として適用できる細胞(大腸菌)の作成
 新規塩基対(xとy)のヌクレオシド誘導体を細胞内に取り込ませる系の開発に着手している。まず、大腸菌の毒素としてコリシンE3やE5、植物由来の毒素であるペポシンなどの活性を阻害するRNAアプタマーの調製を行い、コリシンE3とペポシンの活性を阻害するアプタマーをそれぞれ得ている。
3) 非天然型アミノ酸を取り込んだタンパク質のin vitro合成系の開発
 新規塩基対(xとy)のxをアンチコドンに含み、また非天然型アミノ酸をその3'末端に結合した人工tRNAの調製を行っている。
4) アミノアシルtRNA合成酵素のエンジニアリング
 アミノアシルtRNA合成酵素のエンジニアリングにより、アミノ酸およびtRNAに対する特異性を変換する研究を行っている。これまでにアンバーサプレッサーtRNAを認識する変異型アルギニルtRNA合成酵素を、ランダムに変異を導入したプールの中から単離した。
5) 細胞情報伝達経路のRNAによる制御
 Rasの標的タンパク質、 Raf-1をターゲットとして、Ras・Raf-1相互作用を特異的に阻害する新規RNA分子(アプタマー)を創製した。このアプタマーはRaf-1がRas依存的に活性化するin vitro系において、その活性化を阻害することを確認した。
6) ErbB receptor familyの機能構造の解析
 ErbB1〜ErbB4を細胞に発現して機能解析を行う系を構築した。細胞外ドメイン(サブドメインI〜IV)に関するキメラを系統的に作成し、リガンドとの結合、特異性を解析した。その結果、サブドメインIがリガンド特異性を担い、サブドメインVが親和性を担っていることが明らかになりつつある。またErbB2について、人工的な二量体化を誘導した結果、チロシンのリン酸化は誘起されたが下流のシグナルは発生しなかった。さらに、立体構造レベルでの知見を蓄積するために、ErbB細胞外ドメインとErbBリガンドを大量調製し、現在、結晶化とNMR解析に取り組んでいる。
7) リン酸化部位へのチロシン・アナログの導入
 アザチロシン異性体を始めとして、いろいろなチロシン・アナログを化学合成し、それを含むペプチド、リン酸化チロシンを含むペプチドなどを合成した。他方、各種SH2ドメインを大量調製し、それらとの相互作用を解析して、チロシン・アナログの導入による効果を調べている。


This page updated on May 12, 2000
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