オルガネラ合成生物学

研究紹介

近年の分子生物学的手法や網羅的解析法の発達によって、細胞を構成するタンパク質や核酸などの「部品」の理解が急激に進んだ。しかし、それらの部品をプラモデルのように組み合わせても、私たちには新しい「生命」を作り出すことは出来ない。それは、タンパク質や脂質の集合体である細胞内機能ユニットであるオルガネラ、そしてそれらオルガネラが織りなす複雑なネットワークについての理解が足りないからと考えられる。細胞の基本原理を理解し、その破綻によって引き起こされる様々な疾患を理解・治療して行くためには、私たちは、これまで以上にオルガネラに注目して研究を行っていく必要がある。しかしこれまでの分子生物学的手法ではオルガネラ自体を操作することが不可能であった。そこで私たちは、オルガネラ量を増減させたり、人工オルガネラを細胞内で新規に構築する方法を開発するとともに、それらの手法を用いることによってオルガネラの隠された一面を理解すべく研究を行っている。この新しい”オルガネラ合成生物学”を通して、”細胞”の理解、更には”生命”の理解に少しでも貢献していきたい。

小胞輸送に必要十分な「宛先」情報を明らかにする

細胞内では無数の輸送小胞が盛んに行き来しており、オルガネラ間での物質輸送を担っている。私は輸送小胞がどのように正しい「行き先」（標的オルガネラ）を見つけるのかに興味を持って研究を行ってきた。既に分子生物学的手法を用いて膜輸送に関わる多くの因子が同定されているが、これらの情報だけでは「宛先」情報の十分条件を明らかにすることは出来なかった。そこでリポソームを用いて特異的なターゲティング機構を備えた人工輸送小胞を作成することでこの問題に挑戦した。それまでにオルガネラやリポソームなどの超分子複合体を細胞内に効率的に導入する方法が確立されていなかったことから、まずこれら超分子複合体をマイクロインジェクションによって低侵襲に細胞内に導入する方法を確立した。この方法を用いて細胞外で作成した人工輸送小胞を細胞内に導入することで、細胞内で輸送小胞が正しいターゲット（オルガネラ）まで運ばれて行くための必要最小因子の同定を行なった。その結果、リポソーム膜上に特定のSANREタンパク質があれば、そのリポソームが細胞内に導入された後、特定のオルガネラへのみ運ばれること、更にオルガネラ膜上に存在する「係留因子」が目的のSANREを持つ小胞を捕獲することが、SNARE依存的な小胞輸送の特異性を決定していることがわかった。これまで、SNAREタンパク質は膜融合の過程で働くと理解されてきたが、係留過程でも重要な役割を担っていることを初めて明らかにすることができた。この成果は、輸送小胞が持つ「行き先」の必要十分条件を初めて明らかにしたものであり、今後輸送小胞の行先を人工的にコントロールするために非常に重要な知見である。現在は、オルガネラ膜に存在し特異的SNAREタンパク質と結合する新規係留因子の同定を試みている。すでに、Vps13Bを同定しており、現在はその詳細な機能について調べている。

オルガネラ量が一定に保たれるメカニズムの解明

１つの細胞が分裂し２つの娘細胞ができてもオルガネラの配置、数はほとんど同じである。このことは、細胞はオルガネラの数や位置を厳密に制御していることを意味している。これまでのアプローチのみでは、オルガネラの「量」を意図的に変化させることは難しく、細胞がオルガネラの量を制御するメカニズムや、その生理的意義は明らかになっていない。そこで、オルガネラの量を人為的に変化させるシステムを開発することで、オルガネラ量を感知するセンサー機構の解明とその生理的意義を明らかにすることを目指している。

加齢卵子の若返り〜不妊問題の解決を目指して〜

女性の加齢とともに妊娠率が低下することから、出産を望む女性の高齢化が進む我が国において、不妊症に苦しむカップルは増え続けている。加齢による妊娠率低下の原因として、様々な因子の関与が指摘されているが、加齢卵子への「若齢卵子の細胞質」を導入することによって妊娠率が回復することから、卵子の細胞質にその主因があることが分かっている。細胞質にはオルガネラが存在しており、それらの機能が加齢に伴って低下することや細胞内での局在が変化することがわかっており、オルガネラ機能が卵子の機能低下と深く関わっている可能性が指摘されている。実際に、若齢卵子からの採集したフレッシュなミトコンドリア移植によっても妊娠率の改善が見られる。しかし、ミトコンドリアには独自の遺伝情報（mtDNA)を持つため、若い他人のミトコンドリアを移植することはできない。よって現在、ミトコンドリアが若返りの重要因子である事は受け入れられているが、それを用いた若返り治療法の確立には至っていない。

最近の細胞生物学研究から、ミトコンドリアを含む細胞内オルガネラはネットワークを形成し、オルガネラ同士でお互いの機能を制御しあっていることがわかって来た。そこで、オルガネラネットワークを操作し、再活性化することで、ミトコンドリアを含む多くのオルガネラ機能を復活させることで、加齢した卵子を若返らせ再び妊娠率を上昇させることができるのではないかと考えている。本研究は、医学部、高雄啓三教授、中島彰俊教授のグループと共同で研究を行なっている。

一緒に実験してくれるメンバー募集中です

細胞やオルガネラに興味もってくれた人！何か新しいものを創りたい人！とにかく実験してみたい人！どんな人でもOKです。大学１年生、２年生も実験やってます。修士課程、博士課程の学生さんも募集中！とりあえず、　　　　　　　　　　　　　メールアドレス: skoike『あっと』eng.u-toyama.ac.jp (『あっと』を@に変換）まで気軽に連絡下さいお待ちしています。

メンバー紹介

小池　誠一特命助教

略歴

平成18年4月　筑波大学大学院人間総合科学研究科研究員　

平成22年4月　Max Planck Institute for Biophysical Chemistry 研究員

（平成22年4月〜平成23年3月上原記念財団海外留学助成）

平成30年9月　東京大学大学院医学系研究科分子細胞生物学専攻特任助教　

令和2年4月　富山大学工学部工学科生命工学コース　特命助教

現在に至る

学位・資格等

博士（医学）

専門分野

細胞生物学、合成細胞生物学、生殖医学

研究業績

論文・発表

その他の業績

注目の研究成果１：細胞内で物質が正しく運ばれるための分子メカニズムの解明 -新規医薬品デリバリーシステム開発への応用期待（Koike S, Jahn R. 2024, Nature Commun )

細胞内での物質移動に使われる運び屋“輸送小胞”が正しい行き先まで運ばれるための“宛先”情報はこれまでよく分かっていなかった
Rab GTPase タンパク質やホスホイノシチドと呼ばれる脂質が SNARE タンパク質※4と協調して“宛先”情報として働き、輸送小胞の正確な輸送を可能にしていることを見いだした
本研究の成果を用いて細胞内輸送を人工的に制御することが可能になれば、薬を細胞内の特定部位へ送り届ける新しい医薬品デリバリーシステムの開発につながる
https://research-er.jp/articles/view/132214

注目の研究成果２：生きた細胞内で小胞の動きを可視化し、2種類の小胞融合機構を発見 (Koike et al., 2024, eLife)

マウス胚を包む卵黄嚢の細胞を用いて、細胞内で物質の輸送などを行う小胞を蛍光物質で標識し、これが融合する過程を可視化する技術を開発しました。これにより小胞の融合過程を観察したところ、融合には2つの異なる様式があること、また、その制御に細胞骨格アクチンが関与することを見いだしました。

細胞は、外界から物質を取り込み、エンドソームと呼ばれる小胞に包んで細胞内を輸送します。輸送過程で、小胞は、小胞同士、あるいは他の細胞内小器官と融合しますが、多くの細胞ではそのサイズが小さいために融合過程を観察することが難しく、その制御機構はよく分かっていませんでした。

本研究では、マウス胚の一番外側にある臓側内胚葉細胞に着目し、蛍光物質でエンドソームを標識することにより、顕微鏡下でその融合過程を観察することに成功しました。これにより、エンドソームの融合には、2つのエンドソームが急速に融合して1つの小胞になる「同型融合」と、リソソームにゆっくりと吸収される「異型融合」の2種類の様式があることを見いだしました。膜の力学モデルを用いて小胞融合過程の数理解析を行ったところ、小胞のサイズが融合様式を決めており、小胞が小さい時は同型融合が、小胞が大きくなると異型融合が起こること、また、小胞の膜にゆらぎの力を作用させると、大きなサイズでも同型融合が起こることが分かりました。エンドソームにはアクチンと呼ばれる細胞骨格タンパク質が結合しており、アクチンが同型融合を促進するゆらぎの力を発生させていると考えられました。さらに、アクチンのターンオーバーを促進するコフィリンや、アクチンと相互作用するミオシンも小胞融合に重要であることが明らかになりました。この観察系を用いることにより、細胞内小胞の融合や輸送の過程を制御する仕組みを解明できると期待されます。

https://research-er.jp/articles/view/132476

富山大学工学部コースを選択オルガネラ合成生物学 Organelle synthetic Biology

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