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。

加齢卵子の若返りを目指して

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」導入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。細胞質に存在するさまざまなオルガネラの機能が低下すること、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老化と深く関わっている可能性が指摘されている。実際に、若齢卵子からの精製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、ミトコンドリアは独自の遺伝情報（mtDNA)を持つため、他人のミトコンドリア移植による治療はできない。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、オルガネラ同士で機能制御しあっていることがわかって来ている。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、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、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。

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、生殖医学、合成生物学

研究業績

論文・発表

Koike S, Jahn R. SNARE proteins: zip codes in vesicle targeting? Biochemical J, (2022) 479, 273-288
Koike S, Jahn R. SNAREs define targeting specificity of trafficking vesicles by combinational interaction with tethering factors. Nature Communications, (2019) 10, 1608
Saito M, Koike S, Holm K, Bregolin FL, Hofsäss H. External RBS/PIXE analysis for evaluating quantum dots internalization into HeLa cells Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B, (2019) 450, 173-178
Koike S and Jahn R. Probing and manipulating intracellular membrane traffic by microinjection of artificial vesicles Proc. Natl. Acad. Sci. USA, (2017) 114, E9883-9892
Milovanovic D, Honigmann A, Koike S, Göttfert F, Pähler G, Junius M, Müllar S, Diederichsen U, Janshoff A, Grubmüller H, Risselada HJ, Eggeling C, Hell SW, van den Bogaart G, Jahn R. Hydrophobic mismatch sorts SNARE proteins into distinct membrane domains. Nature Communications (2015) 6, 5984
Kamijo H, Matsumura Y, Thumkeo D, Koike S, Masu M, Shimizu Y, Ishizaki T, Narumiya S. Impaired vascular remodeling in the yolk sac of embryos deficient in ROCK-I and ROCK II. Genes to Cells. (2012) 16, 1012-21.
Koike S, Yutoh Y, Keino-Masu K, Noji S, Masu M, Ohuchi H. Autotaxin is required for the cranial neural tube closure and establishment of the midbrain-hindbrain boundary during mouse development. Dev. Dyn. (2011) 240, 413-21.
Koike S, Keino-Masu K, Masu M. Deficiency of autotaxin/lysophospholipase D results in head cavity formation in mouse embryos through the LPA receptor-Rho-ROCK pathway. Biochem. Biophy.s Res. Commun. (2010) 400, 66-71.
Koike S, Keino-Masu K, Ohto T, Sugiyama F, Takahashi S, Masu M. Autotaxin/lysophospholipase D-mediated lysophosphatidic acid signaling is required to form distinctive large lysosomes in the visceral endoderm cells of mouse yolk sac. J Biol. Chem. (2009) 284, 33561-70.
Koike S, Keino-Masu K, Ohto T, Masu M. The N-terminal hydrophobic sequence of autotaxin (ENPP2) functions as a signal peptide. Genes to Cells. (2006) 11, 133-42.
Nagamine S, Koike S, Keino-Masu K, Masu M. Expression of a heparan sulfate remodeling enzyme, heparan sulfate 6-O-endosulfatase sulfatase FP2, in the rat nervous system. Brain Res. Dev. Brain Res. (2005) 159, 135-43.

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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