研究ハイライト
植物ホルモンを使って動物細胞を操る技術 〜人工オーキシンでさらにパワーアップ〜
名古屋大学大学院理学研究科の西村 浩平 助教、嘉村 巧 教授らの研究グループは、同大学トランスフォーマティブ生命分子研究所の鳥居 啓子 教授、萩原 伸也准教授（現理化学研究所チームリーダー）、打田 直行 特任准教授（現同大学遺伝子実験施設教授）、高橋 宏二 助教、大阪大学大学院生命機能研究科の深川 竜郎 教授らとの共同研究で、タンパク質の機能解析に重要となる人工オーキシンを用いた高感受性タンパク質分解系を確立しました。
生物を構成する細胞の中では様々なタンパク質が機能することにより、生命現象が維持されています。細胞の中の特定のタンパク質の役割を知るには、そのタンパク質を細胞内から除去し、細胞に現れる表現型を解析する方法が一般的です。これまで標的とするタンパク質を細胞内から速やかに分解・除去するシステムとして、植物ホルモン・オーキシン（注１）を用いたオーキシンデグロン法（注２）が知られており、世界中で用いられています。
今回、研究グループは人工的に改変したオーキシン分子とその受容体のペアを用いることで、従来のオーキシンデグロン法よりも1000倍も高感受性をもつオーキシンデグロン法(Super-sensitive AID system)の開発に成功しました。この方法では標的タンパク質の分解に必要なオーキシンの量を従来の1000分の1にまで減少させることができるため、オーキシン自身の細胞毒性を低く抑えることができます。この方法はマウスやヒトの様々な細胞で機能することから、今後、これらの細胞でタンパク質の速やか、かつ低毒性な分解系として様々なタンパク質の機能解析や創薬での利用が期待されます。
本研究成果は、2020年9月17日付（英国時間）英国科学雑誌「Nucleic Acids Research」のオンライン版に掲載されました。
【研究背景と内容】
生物を構成する細胞の中では様々なタンパク質が遺伝子産物として働き、生命現象を維持しています。このようなタンパク質の機能を解析する方法として、ノックアウトマウスなどのように遺伝子を破壊して、細胞にどのような影響が現れるかを解析する方法があります。しかし、遺伝子の中には細胞の増殖に必須な遺伝子も存在しており、こうした遺伝子を破壊すると細胞が増殖できなくなってしまい、解析することができません。そのため、このような遺伝子の解析には、特定の条件によって、自分たちが壊したい標的タンパク質（遺伝子産物）を分解・除去する系が利用されています。オーキシンデグロン法は、植物ホルモンであるオーキシンを分解誘導剤として用いることにより、標的とするタンパク質を速やかに分解する系(Nishimura et al., Nature Methods, 2009)であり、酵母からヒトの細胞に至るまで、さまざまな生物種において、遺伝子の機能解析に利用されてきました。しかしながら、動物の培養細胞では分解誘導剤として使用するオーキシンの濃度は非常に高く、時として、細胞にダメージを与えてしまうこともありました。
分解誘導剤として用いるオーキシンの量を減らすために、従来よりも高感度なオーキシンデグロン法の構築を試み、その際に名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所で開発された人工オーキシンと受容体のペアに注目しました。この人工オーキシンと受容体のペアはbump-and-hole法という手法を用いて設計されており、従来のオーキシンと受容体のペアよりも1000倍以上も高感受性であることがわかっていました（図1）。この人工オーキシンと受容体のペアを用いたオーキシンデグロン法では従来のものと比べて、わずか1/1000の量のオーキシンで標的タンパク質の分解を誘導することができました（図2）。
この高感度オーキシンデグロン法がどのような細胞で働くかを調べるため、一般的な研究で用いられる種々の細胞を用いて、染色体分配において機能する因子の分解誘導を行いました。すると、マウスES細胞をはじめとする様々な動物の培養細胞において、低濃度の人工オーキシンによる因子の分解が確認されました（図3左）。さらに、これらの細胞では染色体の分配異常による細胞増殖という表現型も確認することができました（図3右）。以上の結果はこの高感度オーキシンデグロン法が様々な動物の培養細胞で機能することを示しています。
この方法では標的タンパク質の分解に必要なオーキシンの量を従来の1000分の1にまで減少させることができるため、オーキシン自身の細胞毒性を低く抑えることができます。さらに、マウスやヒトをはじめとする様々な真核生物細胞で用いることが可能と考えられるため、今後、これらの細胞でタンパク質の速やかなかつ低毒性な分解系として様々なタンパク質の機能解析や創薬での利用が期待されます。
【用語解説】
注１：植物ホルモン・オーキシン
最初に見つかった植物ホルモンで、植物の生長や発達など様々な機能をもつ。
注２：オーキシンデグロン法
植物におけるオーキシン依存的なタンパク質分解系を植物以外の生物種に導入し、オーキシンを用いて標的とするタンパク質を分解する方法。
【論文情報】
掲載雑誌：Nucleic Acids Research
論文名：A super-sensitive auxin-inducible degron system with an engineered auxin-TIR1 pair
著者：Kohei Nishimura1,2,*, Ryotaro Yamada3,6, Shinya Hagihara3,6, Rie Iwasaki3, Naoyuki Uchida3,7, Takumi Kamura2, Koji Takahashi2, 3, Keiko U. Torii3,4,5, Tatsuo Fukagawa1,*
1 Graduate School of Frontier Biosciences, Osaka University, Osaka 565-0871, Japan
2 Graduate School of Science, Nagoya University, Nagoya 464-8602, Japan
3 Institute of Transformative Biomolecules (WPI-ITbM), Nagoya University, Nagoya 464-8601, Japan
4 Department of Molecular Biosciences, The University of Texas at Austin, 2506 Speedway, Austin, TX 78712, USA
5 Howard Hughes Medical Institute, The University of Texas at Austin, 2506 Speedway, Austin, TX 78712, USA
6 RIKEN Center for Sustainable Resource Science, Wako, Saitama 351-0198, Japan
７Center of Gene Research, Nagoya University, Nagoya 464-8601, Japan
論文公開日：2020年9月17日
2020-10-26