【研究領域課題番号】21H02410 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シグナル伝達 / 薬学 / 生物物理 / 蛋白質

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2025-03-31

【配分額】17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)

【研究領域課題番号】20K21473 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シグナル伝達 / 薬学 / 生物物理 / 蛋白質

【研究成果の概要】

(1) モデルタンパク質を用いた安定同位体標識条件の最適化
前年度に引き続き、膜タンパク質などの核磁気共鳴（NMR）解析においてボトルネックとなっている、安定同位体標識技術の開発をおこなった。前年度までに緑色蛍光タンパク質（GFP）の発現量を指標に、培地に添加するアミノ酸や血清などの添加物の量、タイミングの検討を進めてきた。本年度は、モデルタンパク質として20種類のアミノ酸を含むチオレドキシン（Trx）を用いて、各アミノ酸残基の標識率を算出した。添加する標識アミノ酸の種類や量について検討した結果、14種類のアミノ酸残基について、部分重水素化を達成することに成功した。代表的な膜タンパク質であるGタンパク質共役型受容体（GPCR）について考えると、重水素化できた14種類のアミノ酸残基の水素原子は、膜貫通領域の水素原子の75%に相当する。このことから、本手法はGPCRをはじめとする様々な膜タンパク質のNMR解析に適用可能であると結論した。
(2) 開発した安定同位体標識法の膜タンパク質への適用
(1)で開発した安定同位体標識法が、実際の膜タンパク質のNMR解析に有用であることを実証するため、GPCRの一種であるβ2アドレナリン受容体について、安定同位体標識およびNMR解析をおこなった。その結果、これまでに申請者が確立済みである昆虫細胞を用いた標識条件と同様に、高感度かつ高分解能なNMR解析が可能であることがわかった。一方で、新たに開発した標識法は、昆虫細胞での発現量が少ない膜タンパク質にも適用可能であることから、これまでNMR解析が困難であった多くの創薬標的にもその適用範囲を拡大できるものであると考えた。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2020-07-30 - 2023-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】構造生物化学

【研究領域課題番号】17H04999 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

核磁気共鳴法 / シグナル伝達 / 膜タンパク質 / Gタンパク質共役型受容体 / 脂質二重膜 / 薬学 / 生物物理 / 蛋白質 / 免疫学 / 構造生物学

【研究成果の概要】

Gタンパク質共役型受容体（GPCR）は、様々な細胞外からの刺激に応答する膜タンパク質であり、感覚受容・神経伝達など、様々な生理機能に関与している。本研究では、タンパク質の動的な性質を原子レベルで観測可能な核磁気共鳴（NMR）法を用いて、GPCRの一種であるβ2アドレナリン受容体およびアデノシンA2A受容体の解析をおこなった。これにより、β2アドレナリン受容体が化合物依存的に、多様なシグナルを細胞内に伝える機構、および脂質二重膜の組成依存的にアデノシンA2A受容体の活性が変化する機構を解明した。

【研究の社会的意義】

医薬品の30%以上は、G蛋白質共役型受容体（GPCR）に作用して、シグナル伝達活性を変化させることで、治療効果を発揮する。本研究で得られたGPCRの構造を参考にして、下流のシグナルを伝達する分子との相互作用に、選択的に作用する化合物を作ることができれば、副作用を抑制する薬剤を、合理的に設計できる可能性が示された。また、脂質の作用を模倣することで、生体内に存在する化合物や他の薬剤がすでに結合したGPCRに対しても作用する薬剤設計の道が開け、新たな作用点および薬理作用を持つ医薬品の開発が加速することが期待される。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】26,130千円 (直接経費: 20,100千円、間接経費: 6,030千円)

【研究分野】生物物理・化学物理・ソフトマターの物理

【研究領域課題番号】16K17780 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

情報熱力学 / シグナル伝達 / 情報幾何 / 不確定性関係 / オンサーガ相反関係 / 移動エントロピー / 熱力学第二法則 / 非平衡統計力学 / 酵素反応 / 量子速度限界 / 熱力学 / 大腸菌走化性 / Markovネットワーク / Onsager相反関係 / 生物物理

【研究成果の概要】

本研究において、情報と熱力学の間の融合理論である情報熱力学を進展させ、シグナル伝達などの生体情報処理の基礎理論として発展させることができた。主に、情報処理を含んだ形での流れと力の関係であるオンサーガ相反関係の一般化や、因果推定の熱力学、また情報幾何と呼ばれる情報理論の微分幾何形式と熱力学の対応関係を構築することで、熱コストと速度の間のトレードオフ関係としての熱力学的な不確定性関係を導出することに成功した。これらの結果は、生体適応センサーや一般的な酵素反応に応用が可能であり、生体内のシグナル伝達系の定量的な理解に役立つと考えられる。

【研究の社会的意義】

本研究成果は、情報理論と熱力学の融合理論である情報熱力学を発展させ、生体内のシグナル伝達の定量的な理解に役立てるための理論的な基盤を作ることである。この研究の発展によって、生体内で伝達される情報について熱力学的なコストとの関係から定量的に理解が可能となる。この研究の方向性は、低エネルギーコストで効率的な生体システムの理解に役立ち、工学的な実装の礎になると考えている。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】ソフトコンピューティング

【研究領域課題番号】16K00325 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シグナル伝達 / 最適制御 / 生物物理 / システム生物学 / 複雑系 / 生体ダ イ ナ ミ ク ス

【研究成果の概要】

本研究課題では，最適原理に基づく細胞の動的情報伝達機構の解明を行った．研究成果としては，細胞の動的信号のデコードメカニズムを，最適原理により導いた．そのような最適なデコード機構が分子メカニズム的に実装可能であることを示した．また，細胞の拡散による影響を理論的に調べ，どのような場合に拡散が無視できるかを理論的に明らかにした．これらの結果は，国際査読付きジャーナル論文誌に発表した．

【研究の社会的意義】

最適なデコード機構が分子メカニズム的に実装可能であることを示したが，これにより，将来細胞に人工的な信号を受け取る分子メカニズムを実装する際に，最適なデコードが実装可能であることが分かった．細胞の拡散による影響を理論的に調べた研究では，細胞の動態をモデル化する際に，適切なモデル化の指針が与えられることが分かった．これにより，細胞の薬剤に対する応答のモデル化が効率的かつ正確に行うことが可能となる．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】生体生命情報学

【研究領域課題番号】24240045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生体生命情報学 / シグナル伝達 / 再生医学 / 生物物理 / 神経科学 / 細胞内Mgイオン / パーキンソン病 / 細胞内Caイオン / 興奮電位 / iPS細胞 / 螢光イメージング / 細胞死 / バイオイメージング / 蛍光プローブ / 細胞内Mgイオン動態 / ミトコンドリア / Ｍｇ動員 / GABA / リン酸化酵素 / 新規Mgプローブ / FRET / 一酸化窒素（NO）

【研究成果の概要】

(1)細胞内の特定器官に局在する新規Mgプローブを開発し、ミトコンドリアから細胞質に放出されるMgイオン動態を解析した。(2)一酸化窒素刺激（NO）に伴う細胞内Mgイオン濃度の上昇が、NO/cGMP/KMGシグナル伝達に伴うミトコンドリアからのMgイオン流出によるものであることを示した。(3)パーキンソン病と細胞内Mgとの関係について明らかにすることを目指し、PC12細胞をパーキンソン病様に細胞死させるMPP+（1-methyl- 4-phenylpyridinium ion）で処理した。細胞内Mgイオン濃度と細胞死は強く相関し、MgイオンがMPP+による細胞死を緩和することを突きとめた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】45,760千円 (直接経費: 35,200千円、間接経費: 10,560千円)