Publications2019年12月17日タンパク質を検出する合成mRNAスイッチの拡張:より複雑な細胞操作に向けてポイント合成mRNA注1)スイッチを改良・新規開発し、細胞内のタンパク質を高感度で検出することに成功しました。(京都大学CiRA同部門)、齊藤博英教授(京都大学CiRA同部門)の研究グループは、標的タンパク質を検知して、mRNAからの翻訳をコントロールできる「タンパク質応答型mRNAスイッチ」の感度改善と新規開発に成功しました。このような特徴は、スイッチを組合せて人工的な遺伝子回路注2)を開発する際に極めて重要です。これまで人工RNA回路の構築に汎用的に用いられるスイッチの数が、たった2つであったことを考えると、今回5種類にまでスイッチが拡張できたことは、より複雑な細胞操作の実現に一層近づいたと言えるでしょう。Biology」で公開されました。合成生物学注3)分野では、創薬やワクチン開発、細胞移植などといった医療において、細胞の挙動を「プログラム」することで、治療効果の向上や副作用の低減を目指す研究がなされています。このようにしてプログラムされた細胞は、環境中のシグナルを検知し、それに応じて適切な治療分子の選択や、それを発揮するタイミング、持続時間、強度などを自律的に判断し出力することが期待されています。このような精密な制御機構を実現するためには、コンピュータのように情報処理を行う複雑な論理演算回路を構築する必要があります。合成して作製されていましたが、細胞内に導入すると、ランダムに細胞内のゲノムDNAを傷つけてしまうリスクがあり、医療応用が難しいという課題がありました。そのため、研究グループは、安全性の高い人工RNAを利用した人工回路の作成に取り組んできました。2015年8月4日「細胞の機能を精密に制御する人工回路をRNAで構築:ヒトの細胞で成功」、2018年11月20日「人工RNA論理回路で細胞の運命を制御する」)。複雑な挙動を細胞にプログラムするためには、より多くの合成mRNAスイッチが必要です。それにも関わらず、人工回路に利用可能な実用的な合成mRNAスイッチは、これまで2種類しか報告されていませんでした。そこで、本研究ではタンパク質を検出できる合成mRNAスイッチの改良方法を確立し、その数の拡張を試みました。合成mRNAスイッチを改良し、タンパク質を高感度で検出する新しいスイッチを開発しました。それらが結合するRNA配列やRNA構造のエンジニアリングを行いました。その結果、強力な翻訳抑制を実現し得る改良手法を見出し、既存のスイッチの翻訳抑制能を大きく改善することに成功しました。改変の概要(左)と翻訳効率(右)タンパク質あるいはスイッチ中のRNA配列を改変することで、高感度なタンパク質応答型mRNAスイッチの開発に成功しました。(リファレンスとして蛍光タンパク質(iRFP670)を産生するプラスミドも導入)。24時間後、本研究で開発したmRNAスイッチは、タンパク質が発現している状態では翻訳が抑制されることが分かりました。改良した合成mRNAスイッチがより高感度で機能していることが分かりました。5種類のスイッチ間で高い直交性が確認されました。この結果、これらのスイッチの特異性は高く、スイッチ間の干渉が少ないため大規模な遺伝子回路の構築に適していることが明らかになりました。各mRNAスイッチが、想定されているタンパク質以外に反応しないかどうか検証しました。5種類のmRNAスイッチとタンパク質について、すべての組合せを検討し、意図した条件でのみ翻訳が抑制されていることを確認しました。ここでは、緑色蛍光タンパク質の発現が適切な組合せのときのみ抑制されます。スケールバーは200μmを示す。まとめ本研究では、タンパク質応答型mRNAスイッチを改良および新規開発し、高感度で働くスイッチの実現に成功しました。5種類のmRNAスイッチを試験し、直交性が高いことを見出しました。今回新たに作成したスイッチの一部は、人工RNAの形態で細胞に導入し、機能することが確認できました。今後、これらのスイッチを組合せることで、任意の遺伝子発現パターンを再構成できる人工回路の構築が期待できます。タンパク質応答型mRNAスイッチを使って、遺伝子発現の振動パターンを首尾よく再現するためには、最低5つのスイッチが必要だと言われています。今回の成果は、これまで実現困難だった人工回路の構築を可能にします。将来的には、こうした回路を応用することで、再生医療や創薬といった幅広い医療分野に大きく貢献できると期待されます。(翻訳され)、細胞内で機能する。mRNAとタンパク質の相互作用を利用して、細胞内の目的のタンパク質が発現しているときのみ反応する合成mRNAを使って、mRNAの翻訳をコントロールする概念を「タンパク質応答型mRNAスイッチ」と呼ぶ。複数の遺伝子スイッチを組合せることで、遺伝子の機能が発揮されるタイミング、強さに加えて、どの遺伝子を働かせるかも正確にコントロールできる。このような仕組みをコンピュータの回路に見立てて遺伝子回路と呼ぶ。人工遺伝子回路を搭載した細胞は、人が望んだような機能を発揮し、人が命令した通りの振る舞いをする。iPS細胞研究基金お問い合わせ。