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横山情報分子プロジェクト
(終了報告)

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総括責任者
(終了時)
横山茂之(東京大学大学院理学系研究科・教授、理研細胞情報伝達研究室・主任研究員、理研ゲノム科学総合研究センター・プロジェクトディレクター)
研究実施期間 平成8年10月〜平成13年9月

 

I.研究の概要

 生物は,非常に複雑で且つ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出来る。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。本プロジェクトではこれら情報分子を人工的に設計・合成して生命現象に関わる情報伝達の分子機構への深い理解を目指すと共に、新しい人工の情報処理システムを構築することを狙いとした。
 新しい人工の情報処理システムを構築するために、(1)有機化学による新規の非天然型情報分子の合成、(2)構造生物学に基づくラショナルな分子設計とエンジニアリング、(3)進化分子工学による新規の分子認識特異性を有する情報分子の創製、(4)遺伝情報および細胞情報を組み合わせるシステムの設計を行うこととし、まずその要素となる情報分子の開発から開始し順次それらを組み合わせたシステムを構築し、最終的には、遺伝情報と細胞情報の総合的な分子システムを完成させることとした。
 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非天然型塩基対による特異的転写反応に世界で始めて成功した。さらに、アミノ酸特異性を変換したアミノアシルtRNA合成酵素などを創製することにも成功した。これらの要素を総合的に組み合わせて、人工的な遺伝情報分子システムの構築に成功した。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、新たな知見をえる一方、立体構造の解析も進めた。また非天然型アミノ酸を中心として、 チロシンリン酸化とタンパク質・タンパク質相互作用のシステムの新規情報分子の開発に成功した。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、目標をほとんど達成することができ、これらの非天然型の遺伝情報分子と細胞情報分子を活用するシステムも無細胞系および細胞系として稼動させることができた。
 今後は、さらに統合的で、実用的なシステム構築と、そのための要素の改良を行うことが可能である。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ともに、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・エンジニアリングを開拓できる。他方、そのような非天然型情報分子の開発を困難にしている要因を知ったことにより、生物のもつ情報処理システムの巧妙さ、精緻さに関する理解も進むと期待される。

II.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】
研究員数:平尾一郎、他8名
細胞情報分子研究グループ(茨城県つくば市/筑波研究コンソーシアム内)
【非天然型の情報分子の開発】
研究員数:齋藤一樹、他4名
人工情報分子研究グループ(埼玉県和光市/理化学研究所内)
【新規な総合的システムの構築を上記2グループで行うことで、本格的には立ち上げなかった】
研究員数:廣田洋、他1名

◆参加研究者(グループリーダー、研究員)  数字は研究期間での通算人数
企業 大学・国研等 外国人 個人参加 総計
14 16

III.研究成果の概要

◆特許出願件数
国内 海外
◆外部発表件数
国内 43(論文: 2、総説・書籍: 7、口頭発表:34)
海外 19(論文: 9、総説・書籍: 7、口頭発表: 3)
62(論文:11、総説・書籍:14、口頭発表:37)

【発表主要論文誌】
Proc.Natl.Acad.Sci.USA/J.Am.Chem.Soc./FEBS Lett./J.Biol.Chem./Tetrahedron Lett.

主な研究成果

1) 非天然型核酸塩基対創製の実現
核酸合成酵素によって選択的に認識される新規塩基対(x-y)の創製に成功した。嵩高い置換基を導入したxを鋳型DNAに組み込みRNA合成酵素を用いて転写反応を行うと、得られたRNAにはxに相補的な位置のみに選択的にyが取り込まれた。さらに、xより取り込み効率と特異性を高めた新塩基sを開発し、yとの塩基対が優れていることを確認した。

2) 試験管内転写-翻訳システムによる非天然型アミノ酸のタンパク質中への導入
x-y塩基対を用いて遺伝暗号を拡張し、新たなコドン-アンチコドンを用いて非天然型アミノ酸をタンパク質中に導入することに成功した。Ras遺伝子の32番目のコドンに新たなyAGコドンを導入し、3-クロロチロシンを結合したtRNA(CUx)を加えた試験管内の転写-翻訳系でRasタンパク質中に3-クロロチロシンが選択的に取り込まれた。

3) 非天然型アミノ酸を特異的に取り込むアミノアシルtRNA合成酵素の創製
天然型アミノ酸(チロシン)よりも非天然型アミノ酸(3-ヨードチロシン)を選択的にサプレッサーtRNAに結合する大腸菌由来のtRNA合成酵素の変異体の創製に成功した。そして、これを用いた試験管内タンパク質合成系でタンパク質中の任意の位置に3-ヨードチロシンを取り込ませることができた。

4) 培養細胞中での非天然型アミノ酸のタンパク質中への選択的取り込み
原核細胞由来のtRNAやアミノアシルtRNA合成酵素(aaRS)が真核細胞由来のtRNAやaaRSと交差しないことを利用して、非天然型アミノ酸を結合しやすい大腸菌由来のチロシルtRNAとTyrRSを真核細胞中で発現させることにより、タンパク質の任意の位置に非天然型アミノ酸を取り込ませることができた。

5) 種々の機能性RNA分子の創製
In vitroセレクション法を用いて特定の機能を有する種々の新規RNA分子を創製した。そして種々の毒素タンパク質の活性を阻害するRNAやプロトオンコジーンの一つであるRaf-1に結合してRasとの相互作用を阻害するRNAが得られた。

6) リン酸化部位に非天然アミノ酸を用いた情報伝達経路の確立
非天然アミノ酸を用いた新規細胞内情報伝達経路を構築するために、天然のリン酸化チロシン結合タンパクでは認識されない非天然アミノ酸として、3-ヨードチロシンの有用性を確認した。また、上流からのシグナルによって、タンパク質中の3-ヨードチロシンがリン酸化されたときに、それを認識して結合するリン酸化チロシン結合タンパクの変異体作成に成功した。
7) ErbB receptor family の機能構造の解析
ErbB-1〜ErbB-4を細胞に発現して機能解析を行う系を構築し、さらに細胞外領域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。ErbB-1の細胞外領域とEGFとの複合体の結晶化に成功し、構造解析に成功した。


This page updated on November 5, 2002
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