浜地格 工学研究科教授、三木卓幸 博士課程学生らは、亜鉛イオンの生体内機能に関与する一連のタンパク質群を、網羅的に捕捉して解析する新しい分子技術を開発しました。
本研究成果は2016年9月13日午前0時に英国科学雑誌「Nature Methods」のオンライン速報版で公開されました。
研究者からのコメント
左から浜地教授、三木博士課程学生
本成果は、亜鉛応答ラベル化分子の設計・合成に最先端質量分析を組み合わせた独創的なChemical proteomicsの開発を基盤としたものです。この分子技術によって、これまでシグナル分子としての正体が曖昧だった亜鉛イオンの生体内での機能解明が進展することが期待できます。また、本研究ではConditional（環境依存的） proteomicsを提案していて、この斬新なコンセプトは新しい応答分子の創出と組み合わせれば、色々な細胞環境によって変動する蛋白質群の網羅的な探索や同定につながると期待しています。
- 亜鉛イオンによって活性化し、周辺のタンパク質をタグ付けできる新しい「亜鉛応答分子」を開発
- 開発した亜鉛応答分子を用いて、酸化ストレスを受けた細胞で刻一刻と変化する亜鉛イオンの濃度と場所の変化に応じ、周辺タンパク質の種類が劇的に変化することを発見
- 開発した亜鉛応答分子を用いて、細胞内で高濃度の亜鉛イオン環境下にあるタンパク質を一網打尽に同定
- この新しいコンセプトは亜鉛に関連するタンパク質だけではなく、他の環境変化に応じて変動するタンパク質群の時間経過に従った連続（スナップショット）解析へも応用できる。
概要
亜鉛は生物にとって必須の金属元素であり、酵素の反応中心として遺伝子の発現制御や血液のpH調整などを司るだけでなく、発生や神経活動を制御する信号分子としても注目を集めています。実際に、脳内虚血や脳傷害、てんかんやアルツハイマー病患者の脳組織では、亜鉛イオン濃度が大きく上昇することが知られています。これまでに亜鉛イオン自体をイメージング（可視化）する技術が開発されており、生きた組織・細胞での亜鉛イオン濃度や分布の変動を直接的に観察できるようになりました。しかし、亜鉛の周辺に存在し直接／間接的に関わるタンパク質を直接調べる方法や技術は未発達であるため、亜鉛が制御する現象の全体像を理解するには程遠い現状でした。
本研究グループは、細胞内で亜鉛イオンの周囲に存在するタンパク質を選択的にタグ付けする新しい亜鉛応答分子（以下、AIZin）を合成し、それを用いて亜鉛関連タンパク質を一挙に同定・解析するこれまでにない全く新しい分子技術を開発しました。AIZinは亜鉛イオンとの結合によって活性化し、周辺のさまざまなタンパク質と反応して蛍光タグを付けることができます。また、蛍光タグを目印としてタンパク質を捕捉・濃縮し質量分析装置を用いた解析を行うことで、亜鉛イオンの周辺に存在するタンパク質の種類や名前を同定できます。本手法を用いることで、脳内虚血をモデルとした酸化ストレスによって生じる亜鉛イオンの濃度・分布の変動と、それに伴う周辺タンパク質の変化を捉えることができました。
また同定した周辺タンパク質を手がかりにして亜鉛を最終的に濃縮するベシクル（小胞）の特定にも成功しました。AIZinを用いた分子技術を応用することによって、刻一刻と変化する亜鉛イオンの生体内動態に関係する多くのタンパク質の解析が進み、信号分子としての亜鉛の実体解明につながることが期待されます。
図：亜鉛イオンにより活性化して、タンパク質をタグ付けできる方法論の模式図
a：亜鉛応答分子（AIZin）が細胞内に浸透して、細胞内の高濃度亜鉛環境でタンパク質をタグ付けする。その後に、タグ付けされたタンパク質を抗体を用いて濃縮して、質量分析によって網羅的に同定する。
b：AIZinの活性化機構。亜鉛イオン（Zn 2+ ）結合部位に亜鉛イオンが結合することで、反応ユニットを活性化してタンパク質をタグ付けする。
詳しい研究内容について
【DOI】
http://dx.doi.org/10.1038/nmeth.3998
Takayuki Miki, Masashi Awa, Yuki Nishikawa, Shigeki Kiyonaka, Masaki Wakabayashi, Yasushi Ishihama & Itaru Hamachi. (2016). A conditional proteomics approach to identify proteins involved in zinc homeostasis. Nature Methods.
