佐甲細胞情報研究室

研究概要

当研究室は、タンパク質分子から分子システム、細胞、細胞間相互作用の各階層で生体システムの示す情報処理機能の性質とその発現機構を明らかにすることを目標としている。特に、生体分子反応を左右する根本原理である熱ゆらぎ、数のゆらぎ、自己組織化、自己集合を計測・解析することにより、環境ノイズと同レベルの低エネルギーで働く生体素子が集積して、内在性あるいは外来性の情報を処理し、柔軟な細胞応答を生み出す仕組みを探っている。さらに、これらの素子がどのように集積して高次機能を発現しているかを明らかにするため、細胞内１分子計測技術を始めとする顕微計測、細胞工学、生体システムの再構成、反応ネットワークの数理解析、計算機実験などの技術を開発・応用している。現在の主要な研究対象は、RTK-Ras-MAPKシステムと呼ばれる、細胞増殖・分化・プログラム細胞死などの細胞運命決定に関わる細胞内反応ネットワークである。我々は、この分子システムで働く個々のタンパク質の分子反応と分子動態を、詳細に１分子解析すると共に、細胞内における分子反応の定量的計測技術と計算生物学を利用して、細胞運命を決定する反応ネットワークの動態がどのように決定されてくるかを解析している。

最近の研究成果

1分子計測で細胞内情報処理を探る

図1 細胞外リガンドとErbBの結合と２量体形成

上：蛍光標識したEGF, HRGと細胞膜受容体（ErbB1およびB3/4）の結合を１分子可視化する。

下：ErbB1とEGFの結合、EGF/ErbB1複合体の２量体形成モデル。ErbB1の前２量体（predimer）形成と、最初のEGF結合後の構造変化によるintermeidate形成により、反応速度と感度が決まる。ErbB3/4も類似の反応スキームで２量体形成が起こる。

複雑で柔軟な細胞応答や細胞運命は、細胞内分子反応のネットワークによって制御・決定されている。複雑な細胞内反応ネットワークの働きを理解するには、個々の反応素過程を反応場である生きた細胞の中で、定量的に解析すると共に、素反応情報を集積して、計算科学・数理科学を応用した、反応ネットワーク解析を行う必要がある。我々は、RTK-Ras-MAPKシステムと呼ばれる一群の細胞内タンパク質反応ネットワークの動態を、細胞内１分子計測による定量的反応計測と、計算科学によって解析している。RTK-Ras-MAPKシステムは、細胞増殖・細胞分化・プログラム細胞死・癌化など、細胞運命決定に関わる反応ネットワークである。我々は最近、RTK super familyに所属するErbB familyの反応ネットワークに関して、細胞外情報の入り口である、細胞外リガンド、膜受容体（ErbB）、ErbBの活性化を認識する細胞質タンパク質の３層の反応ネットワークに注目した研究を行っている。第１層に関しては、細胞増殖と分化をそれぞれ誘導するリガンドであるEGFとHRGと、各々の膜受容体（ErbB1とB3/4）との結合および２量体形成を１分子可視化計測し、モデル解析によって、どちらの場合も反応パラメータの絶対値は異なるものの、ErbBの前２量体形成と、情報分子結合後の動的構造変化が、情報受容の効率と速度を決定していることが分かってきた（図1）。細胞膜内の第２層に関しては、ErbBの動的会合体形成が細胞応答に重要であると示唆されていることから、超解像光学顕微鏡技術を利用した会合体分布計測（図2）と１分子運動計測により、ErbB1の会合数分布と細胞膜での拡散運動が、コレステロールに富む細胞膜ドメイン構造により制御されていることが明らかになった。現在、計測された会合数分布および１分子運動パラメータに基づいた、数理的な会合体形成モデルを作成中である。第３層のErbBと細胞質タンパク質の認識反応に関しては、蛍光相関分光法・蛍光相互相関分光法を利用した膜タンパク質と細胞質タンパク質との動態計測法、相互作用計測法を開発・応用して、種々のErbB結合タンパク質の動態計測を開始した（図3）。Shc, PI3Kなどの細胞質タンパク質に関しては、EGFとHRGの情報入力に対する、動態の違いが見えてきており、また、生化学実験で結合が予想されてきたタンパク質間の相互作用が計測されないことや、特定の細胞質タンパク質が分子量から予想される値から大きく逸脱した拡散係数を持つことなど、興味深い現象が観察されてきている。

図2 ErbB会合体の高分解能計測

通常の蛍光顕微鏡による１分子画像（左）は分子サイズ（～10nm）にくらべ遙かに大きいぼけ（～300nm）を持っているが、個々の分子画像の中心は分子サイズに迫る精度（～20nm）で決定できる（右）ので、分子の位置に基づいて、擬似的に高分解能画像が作製できる（PALM）。定量的なPALM手法を開発して、ErbB1受容体の会合を計測した。

図3 PI3K-GFPのFCS計測

蛍光相関分光法（Fluorescence correlation spectroscopy: FCS）によって、蛍光標識したタンパク質の細胞内動態を計測できる。PI3K-GFPを細胞内で計測すると、細胞への入力がない時（no ligand）では、細胞質内の自由拡散運動だけが見えるが、HRGやEGFによって、細胞膜の受容体に結合して運動する遅い拡散成分が現れる。遅い成分の動態は入力に依存して異なっている。

図1

Reproduced, with permission, from Y. Teramura, et al. Single-molecule analysis of epidermal growth factor binding on the surface of living cells, EMBO J. 2006, 25, 4215. © (2012) Macmillan Publishers Ltd: The EMBO Journal