光で細胞内の酵素のはたらきを自在に操作する

① 研究の背景・先行研究における問題点

生体内における酵素などの分子の活性は、あらゆる生命機能の維持や発揮に不可欠であり、分子活性を人為的に操作する手法は古くから研究されています。近年、光感受性タンパク質を分子に組み込み、光照射で分子機能を操作する「オプトジェネティクス」と呼ばれる技術が注目されています。化学物質を用いる古典的な操作法と異なり、オプトジェネティクスは、光によって時空間的な操作が可能な点に大きな特徴があります。化学物質は生体内で拡散するため不可逆的な操作になる一方、光による操作は、レーザーなどの指向性の高い光源を用いることで、時空間的に自在な操作が可能です。しかし、このオプトジェネティクスにおいても、どのように光を照射すれば、どの程度、光感受性分子が活性化するかという定量的な見積もりが困難であるという大きな問題があります。すなわち、光照射という生体に与える「入力」と光感受性分子による「出力」を結ぶための何らかの一般的な技術・方法論の開発が急務とされています。

② 研究内容

人工の光感受性Ａｋｔの作製

本共同研究グループは、植物由来の光受容タンパク質ＣＲＹ２^注２）について、遺伝子工学技術を用いＡｋｔと融合することにより、光感受性のある人工Ａｋｔを作製しました。Ａｋｔは細胞質から細胞膜への移動により活性化する性質があるため、光照射によって細胞膜へ移行する設計をしました。作製した光感受性Ａｋｔをマウス筋芽細胞内に発現させ、細胞外から光を照射したところ、光感受性Ａｋｔが分単位の時間スケールで可逆的に活性化することが確認できました（図２）。活性化した光感受性Ａｋｔは、細胞内に内在する本来のＡｋｔと同様に、Ａｋｔの基質タンパク質をリン酸化し、Ａｋｔに支配される遺伝子発現や細胞極性の決定（細胞の移動方向の決定）などの生命現象を誘導することが確認できました。さらに、レーザー光源を用いることにより、細胞内の特定の場所でのみＡｋｔを活性化させる「空間的な操作」も可能であることが示されました。

人工光感受性Ａｋｔの活性の時間パターンを再現する数理モデルの構築

次に、作製した人工光感受性Ａｋｔの活性の時間パターンを定量的に光操作するシステムの開発に向けて、Ａｋｔの時間的な活性を記述する数理モデルを構築しました。本研究を含めこれまでにさまざまな分子種を対象とした光操作技術が開発されているものの、生体内における分子活性を精密に制御する方法論が不足していました。本共同研究グループは、実験データに基づき、人工光感受性Ａｋｔの活性の時間的な変動を表す数理モデルの構築に成功しました（図３、図４）。構築した数理モデルでは、さまざまな光照射パターンに伴うＡｋｔ活性の変動を正しく予測することが確認でき、定量的にＡｋｔ活性を操作する技術開発に成功しました。さらに数理モデル構築の過程で、実験結果とシミュレーション結果との比較検討から、Ａｋｔの活性化メカニズムに、ポジティブ・フィードバック^注３）と呼ばれる活性化機構が関与することを新たに特定しました。

Ａｋｔ活性の時間的変動パターンの意義

最後に、構築した数理モデルと人工光感受性Ａｋｔを融合した一連のシステムを用いて、Ａｋｔ活性の時間的変動パターンが持つ生物的意義について検討しました。活性化の強度と頻度が異なる３つの時間的変動パターンのＡｋｔ活性をそれぞれマウス筋芽細胞内で人工的につくりだし、それぞれのパターンにおいてＡｋｔによって調節されている遺伝子発現の誘導効率を比較しました（図５）。その結果、Ａｋｔ活性の総量が同じであっても、その時間的変動パターンによってＡｋｔによる細胞機能の誘導効率が異なることを発見しました。従来の生物研究では、分子の「固有名詞」である分子名とその機能を一対一につなぐ研究が中心である一方、本結果は、分子活性の時間的変動パターンにも細胞機能の制御メカニズムが内包していることを直接的に示す結果です。

③ 社会的意義・今後の予定など

Ａｋｔが調節する代謝や遺伝子発現といった生命機能の異常は、糖尿病やガンをはじめとしたヒトのさまざまな疾患に密接に関与することが知られています。今後、さまざまな時間パターンのＡｋｔ活性入力とそれに伴う代謝物質や遺伝子発現などの細胞応答出力を定量的に解析することにより、Ａｋｔによる疾患発症のメカニズム解明や糖尿病患者に対するインスリンの最適な薬剤投与パターンの提案などに寄与することが期待されます。また、本研究で示した光感受性分子の設計や数理モデル構築などの一連の手法は、Ａｋｔ以外の分子にも応用可能であるシステムとしての汎用性を備えており、オプトジェネティクス研究領域全体の発展に貢献することが期待できます。