光により遺伝子発現量を素早く３００倍に増加できる技術を開発

ポイント

• これまでは、光によって誘導される遺伝子発現量は１０倍程度で、暗所においても予期せず遺伝子発現が生じてしまうなど、遺伝子の機能解析に利用するには問題がありました。
• 本研究では、光を短時間、または、極めて弱く当てるだけで哺乳類細胞の遺伝子発現量を３００倍に増加できる技術の開発・改良に成功しました。
• 本技術は、生体外からの光照射でも狙った場所の遺伝子発現をコントロールできる世界で最も優れた技術であり、将来的には、幹細胞の分化や疾患の発症に関連するなど、幅広い遺伝子の機能解明へと役立つことが期待されます。

＜合田 圭介　プログラム・マネージャーのコメント＞

本成果は、ＩｍＰＡＣＴ「セレンディピティの計画的創出による新価値創造」に参画するコロンビア大学の研究チームによるものです。矢澤チームでは、膨大な細胞集団の細胞内活動をコントロールもしくはモニタリングするために必要な技術を開発しています。今回の成果は、光により細胞およびマウス個体の組織内の遺伝子発現をコントロールすることに成功しており、類似した他の技術に比べて非常に優れたもので、今後、本プログラムで開発中の高速イメージング技術を用いた細胞分析装置「セレンディピター」と組み合わせて利用することで、様々な細胞の遺伝子機能解析に大きく貢献できると考えています。

＜研究の背景と経緯＞

ヒトゲノムの解読によって約３万程度の遺伝子が存在することが明らかになり、それぞれの遺伝子の機能の解明が進んでいます。ゲノム上の遺伝子によって作られたタンパク質の多くは酵素などの機能を有し、様々な細胞内活動に必須であることが明らかになっています。近年、生体での遺伝子の役割を解明するための技術として、化合物や光を使って遺伝子発現量を人為的にコントロールする技術に関心が持たれています。特に、光でのコントロールは、狙った組織や器官、細胞を対象に、任意のタイミングで遺伝子発現を誘導することが極めて簡単にできるようになるため、幅広く基礎研究や医学研究に応用できると期待されています。しかしながら、光を利用した従来の技術はいずれも遺伝子発現効率が著しく低く、生体内の細胞にコントロールに必要な光が届かない、遺伝子発現量の変化が不十分で機能解明に繋がらないなど、マウスなどの実験モデル動物への応用の大きな障害になっています。そのため、弱い光で遺伝子発現量を大きくコントロールできる高性能な技術の開発が強く求められています。本チームは、米国ワシントン大学の今泉貴登准教授らが解明した植物の光受容体ＦＫＦ１とその結合パートナーであるＧＩＧＡＮＴＥＡの相互作用^注３）に着目し、２００９年に「Ｎａｔｕｒｅ　Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」で哺乳細胞内の酵素の局在や遺伝子発現のコントロールに成功したことを報告しています。しかしながら、遺伝子発現量が最大１０倍程度であったため、さらなる改良が必要となっていました。

＜研究の内容＞

本チームでは、哺乳細胞における光誘導型の遺伝子発現技術のさらなる改良のため、光受容体ＦＫＦ１の様々な突然変異タンパク質を発現させることのできるライブラリーを作成しました。そこからスクリーニングし、ＦＫＦ１の変異タンパク質Ｈ１０５Ｌを発見しました（図１）。その一方で、光受容体ＦＫＦ１、その結合パートナーＧＩＧＡＮＴＥＡ、Ｇａｌ４　ＤＮＡ結合領域、遺伝子発現活性化領域ＶＰ１６の４つの必須の部位の組み合わせを可能な限り検証し、最適な組み合わせを発見しました（図２）。その後、他の光受容体を用いた類似した技術との比較検討を重ね、本チームが開発・改良した技術が最も優れていることを明らかにしました。また、比較対象としたＣＲＹ２／ＣＩＢ１を用いた技術にも上記と同様の改良方法を適用し、顕著な改善が認められました（図３）。改良したＣＲＹ２／ＣＩＢ１を用いた技術では暗所においても予期していない遺伝子発現が生じてしまう問題が未だ生じている一方、本チームの改良版の技術ではそういった問題がなく、青色光で遺伝子発現を３００倍上昇させることに成功しました（図４）。そして、標的の細胞のみ光を照射することで標的細胞のみで目的の遺伝子が発現することを実証しました（図５Ａ）。さらには、開発した光誘導型遺伝子発現システムをマウスの生体深部における遺伝子の光制御にも応用しました。具体的には、生体外からの非侵襲的な光照射方法を用いて、マウスの生体深部の臓器（本論文では肝臓）において、遺伝子発現を誘導できることを明らかにしました。この結果により、本チームの新技術を用いることでマウス個体内の組織・器官における遺伝子発現を生体外からの光照射でコントロールできることを示しています（図５Ｂ）。

＜今後の展開＞

上述のように本チームは、光を使って自由自在に遺伝子発現をコントロールするための技術を開発しました。他の同様の技術よりはるかに優れた本技術を使うことによって、従来では不可能であった生体（マウスなどの動物個体）の遺伝子発現を、生体外からの非侵襲的な光照射によってコントロールすることができるようになりました。本研究の成果は、神経科学や幹細胞の増殖・分化や、疾患に関わる様々な遺伝子の機能解明にも役立つことが期待できます（図６）。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 研究チーム

本発表の研究チームメンバーは、コロンビア大学 メディカルセンター　矢澤 真幸（アシスタントプロフェッサー）、 Jose Quejada（大学院生）、Seon-hye Emily Park（研究技官）、Fan Shi（研究補助員兼中国からの大学院留学生）、河野 風雲（ポスドク研究員）らで構成され、ＩｍＰＡＣＴプログラムの一環として、本研究を遂行した。

注２） 青色光誘導型

シロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）が有する青色光受容体（Flavin Kelch-repeat F-box1：ＦＫＦ１）とその結合タンパク質（ＧＩＧＡＮＴＥＡ）にプロテインエンジニアリングを施して開発された青色光誘導型タンパク結合スイッチ。青色光を受容すると、互いに結合する。 本研究チームにより開発・報告された（Yazawa et al. Nat. Biotechnol.2009）。これらのツールは光遺伝学分野に使われている。光遺伝学とは光学（optics）と遺伝学（genetics）の方法論を融合させた学問分野であり、オプトジェネティクス（optogenetics）とも呼ばれている。遺伝子として保存された光応答型のタンパク質群を使って、細胞内のイオン濃度やタンパク質の挙動などを光でコントロールすることにより、生命現象を明らかにすることを目的とする。２００５年、光駆動型のイオンチャネル（チャネルロドプシン）を使って、神経細胞の活動を光でコントロールする技術が報告されたのをきっかけに、脳神経科学の分野で爆発的に広まった。現在では、チャネルロドプシン以外にもさまざまなツールが開発され、生命科学の新たな研究手法として幅広い分野から注目されている。

注３） 光受容体ＦＫＦ１とその結合パートナーであるＧＩＧＡＮＴＥＡの相互作用

２００７年に今泉准教授らのグループによって解明された植物の開花に必須な分子機能。「Science誌」に掲載された（Sawa et al. Science 2007）。

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