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平成26年4月11日

科学技術振興機構(JST)

北陸先端科学技術大学院大学

石川県立大学

発現が難しいたんぱく質を大量生産する新技術を開発
〜植物の胚を形成するメカニズムの解明に貢献〜

ポイント

JST 先端計測分析技術・機器開発プログラムで開発したたんぱく質生産技術を活用し、北陸先端科学技術大学院大学 大木 進野 教授と石川県立大学 森 正之 准教授らは、英国ワーリック大学 グティエレスマルコス 教授らの研究チームとともに、顕花植物注1)における重複受精注2)の際に初期胚が形成されるメカニズムの一端を解明しました。

分子生物学や生化学、構造生物学などの研究では、一般的に、遺伝子組み換え大腸菌や酵母などを利用して試料たんぱく質を調製します。しかし、リン酸化や糖鎖付加などの翻訳後修飾注3)を受けたり、ジスルフィド結合注4)を持つたんぱく質は、従来法では生産が困難でした。また、たんぱく質の構造解析をNMR法注5)で行うには、安定同位体注6)と呼ばれる特殊な原子で試料を標識する必要があります。

大木教授と森准教授らが開発した新しいたんぱく質生産技術では、たんぱく質の設計図となる遺伝子を、大腸菌や酵母ではなくタバコBY−2細胞に取り込ませて、試料となるたんぱく質を発現させます。BY-2は、液体培地で大量に培養可能で光合成能力がない日本発の植物細胞です。この技術を用いると、従来法では生産が困難だったたんぱく質を、生理活性を保ったまま大量に生産することが可能です。また、たんぱく質に含まれる特定の原子を各種の安定同位体で標識することができます。

今回、顕花植物の初期胚発生に重要な因子として英国チームが世界で初めて同定したペプチド注7)ESFについて、試料調製とNMRによる構造解析に成功し、ESFペプチドの生理活性を生み出すメカニズムを解明しました。

本研究成果は、2014年4月11日(米国時間)に米国科学誌「Science」で掲載されます。

本研究成果は、以下の事業・開発課題によって得られた成果を活用したものです。

事業名 研究成果展開事業 先端計測分析技術・機器開発プログラム 要素技術タイプ
開発課題名 「難易度の高いタンパク質試料の調製と標識技術の開発」
チームリーダー 大木 進野(北陸先端科学技術大学院大学 教授)
開発期間 平成20〜23年度
担当開発総括 伏見 譲(埼玉大学 名誉教授)

JSTはこのプログラムの要素技術タイプで、計測分析機器の性能を飛躍的に向上させることが期待される新規性のある独創的な要素技術の開発を目指しています。

<発表成果の概要>

今回研究チームは、顕花植物の種子形成において胚乳の元となる中央細胞で作られる分泌ペプチド、ESFを発見しました。意図的にESFが発現しないように操作した植物では、種子の形状が不揃いになることが示されました。ESFは、頂底軸注8)が確立されるとともに起こる胚形成の初期段階で、胚柄注9)の形成を制御する因子として働いていることが明らかになりました。

大木教授と森准教授らは、従来法では調製が困難なジスルフィド結合を4組持つペプチドESFを、独自技術で調製することに成功しました。ESFの立体構造(図1)をNMR法で解析(図2)することによって、胚が形成されるメカニズムの一端を分子レベルで解明しました。

<活用された開発成果の概要>

生物学分野では、生体のさまざまなメカニズム解析のために、たんぱく質などの生体分子の構造を解き明かすことが不可欠です。構造解析のためには目的のたんぱく質が大量に必要ですが、生体内で自然に生成される量が少なかったり、大腸菌や酵母などを用いて大量に生産しても、活性を持つ正しい構造を再現できないなどの問題がありました。

今回の研究成果をもたらした大木教授らの新技術は、従来法では調製が難しかった、ジスルフィド結合を持つたんぱく質、リン酸化などや翻訳後修飾を受けたたんぱく質などを簡便・大量に生産可能とするものです。この技術では、ウイルスの遺伝子とタバコBY−2細胞を利用し、正しい構造と本来の活性を保ったまま、目的たんぱく質を大量に発現させることができます(図3)。また、目的たんぱく質に各種安定同位体標識やフッ素化合物、セレノメチオニンなどの非天然アミノ酸を簡単に導入することができるため、NMR法をはじめとしたさまざまな構造解析手法のための試料調製に活用できます。

<開発成果の今後の展開>

今回活用された技術は、従来法では困難だったたんぱく質を簡便に大量生産可能とするものです。この技術を活用することで、より多くのたんぱく質の立体構造と生理活性の研究が加速し、基礎科学へ大きく貢献できると期待されます。さらに、大規模化が容易という本開発技術の特長を生かし、ペプチド農薬の大量生産や新薬開発などの産業に応用するための研究も進めています。

<参考図>

図1

図1 NMRで解析された新規ペプチドESFの立体構造(リボン図)

分子内には、黄色で示した4組のジスルフィド結合がある。2つの並んだトリプトファン残基(W35とW48、図内に緑色で表示)が生理活性に必須であることが明らかになった。

図2

図2 NMR法によるたんぱく質構造解析の流れ

図3

図3 タバコBY−2細胞を利用したたんぱく質発現系の概略図

<用語説明>

注1) 顕花植物
花を咲かせる植物の総称。
注2) 重複受精
顕花植物において、雌の卵細胞と中央細胞各1個がそれぞれ雄の精細胞1個と受精すること。卵細胞と中央細胞はそれぞれ精細胞と受精して胚と胚乳を形成する。1対の卵と精子で受精が成り立つ動物のシステムとは大きく異なる。
注3) 翻訳後修飾
生合成後のたんぱく質の特定部位が、メチル基やアセチル基などで修飾されること。
注4) ジスルフィド結合
2個のチオール基(−SH)がカップリングしてできる結合(−S−S−)。ペプチドやたんぱく質においては、2個のシステイン残基の−SH基がカップリングしてできる。
注5) NMR法
強力な磁場中に置いた試料にラジオ波を照射し、その応答信号を周波数のスペクトルとして解析する手法。試料の分子構造や試料内部の動きについての情報を得ることができる。
注6) 安定同位体
同じ元素、同じ原子番号の原子のうち中性子の数が異なり天然に安定な状態で存在するもの。例えば天然の窒素はほとんど14Nだが、ごく微量の安定同位体15Nが存在する。NMR法では炭素は13C、窒素は15Nが観測に利用されるので、これらの同位体で標識した試料が必要となる。
注7) ペプチド
小さなたんぱく質。アミノ酸が数個〜数十個、鎖状に重合したもの。
注8) 頂底軸
体の各部分が形成されていくときに中心となる軸のこと。例えば、顕花植物では頂端細胞は後に葉や茎となる細胞のことで、基部細胞は後に根となる細胞のことである。
注9)胚柄(はいへい)
受精卵は細胞分裂を繰り返して前胚になる。前胚は、細胞が1列に並んだ細長い胚柄と球状の配球でできている。

<論文名>

“Central Cell Derived Peptides Regulate Early Embryo Patterning in Flowering Plants”
(中央細胞由来のペプチドは顕花植物の初期胚形成を制御する)
doi: 10.1126/science.1243005

<お問い合わせ先>

<開発内容に関すること>

大木 進野(オオキ シンヤ)
北陸先端科学技術大学院大学 ナノマテリアルテクノロジーセンター 教授
〒923-1292 石川県能美市旭台1−1
Tel:0761-51-1461 Fax:0761-51-1455
E-mail:

森 正之(モリ マサシ)
石川県立大学 准教授
〒921-8836 石川県石川郡野々市町末松1−308
Tel:076-227-7527 Fax:076-227-7557
E-mail:

<JST 先端計測分析技術・機器開発プログラムに関すること>

山下 篤也(ヤマシタ アツヤ)、菅原 理絵(スガワラ マサエ)
科学技術振興機構 産学連携展開部 先端計測室
〒102-0076 東京都千代田区五番町7 K’s五番町
Tel:03-3512-3529
E-mail:
ホームページURL:http://www.jst.go.jp/sentan/

<報道担当>

科学技術振興機構 広報課
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