タンパク質だけではなく、ビタミンでも医薬品物質でも、原理的にはすべての化合物の生体内分布を、生きたまま観察できる方法が、新たに開発されました。リボスイッチによる低分子化合物の生体イメージング技術とはいったいなんぞや？

目的の化合物が分解されないように手早く、しかし途中の過程でロスしたり他の画分から混ざりこんだりしてもいけない。細胞や組織のほんのひと区画から、目的の化合物を抽出し、多寡を定量することは、限界に挑戦しようとすれば誤差が大きくなり、信頼度は格段に下がってしまいます。いつ誰がどこでやっても同じ結論が導き出せるような科学の方法論としては、あまり好ましくない事態です。

そもそも、すりつぶすだけで分かることというものは、生化学(biochemistry)全盛の20世紀後半にほとんどやり尽くされています。呼吸や光合成など、最も普遍的で、最も基本的な生体反応の主要街道は、もうすでにアスファルトで舗装済みの状態になって久しいです。一方、すりつぶすだけではないプラスアルファの部分については、生体イメージング技術をはじめ、まだまだ未開の荒野が残っています。そのまま、生きたまま、インサイチュー(in situ)の情報は、すりつぶせば失われてしまいます。

すべての生命現象に関与すると表現しても過言ではない最重要な物質であるタンパク質については、すりつぶさなくても生体イメージングが可能であり、ご存じ緑色蛍光タンパク質(green fluorescent protein; GFP)など融合遺伝子産物の挙動を調べる方法がすでに確立されています。モノにもよりますが、使い勝手のよい大腸菌(Escherichia coli )・酵母菌(Saccharomyces cerevisiae )・培養細胞などの場合、１ヶ月もあれば遺伝子導入して実験系をゆうに確立できるでしょう。

しかし、このような方法で、容易に解析できる対象は、従来タンパク質に限られたことでした。ところが、タンパク質でなくても、ビタミンだろうと医薬品物質だろうとどんな化合物でも可能な生体イメージング技術が、ついに登場したのです[1]。

論文[1]より

今回、紹介するリボスイッチによる低分子化合物の生体イメージングは、かつてケムステで紹介した記事『緑色蛍光タンパク質を真似してRNAを光らせる』の方法を発展させたものです。

以前の報告[2]で合成された蛍光試薬が図中の緑印です。この蛍光試薬はRNAと解離した単独の状態では、水分子による消光のため輝きません。しかし、RNAと結合した状態で、励起のための光を当てると、蛍光を出します。RNAならば何でもよいというわけではなく、この蛍光試薬の分子が結合するRNAの配列は特定の決まったものです。

蛍光試薬が結合する標的の配列と、定量したい分子のリボスイッチを隣り合わせて、配列を設計する点が、今回、報告[1]された生体イメージング技術のキーとなります。リボスイッチとは、化合物が結合することで、RNAの性質が変わるシステムのことです。実際に、S-アデノシルメチオニンと呼ばれる代謝産物の生体イメージングに成功しています。図中では紫印に相当します。

S-アデノシルメチオニン / 研究チームが独自に開発した蛍光試薬

手順はというと、まず生体内で検出したい物質のリボスイッチと、蛍光試薬が結合する標的となるRNAの配列を、細胞に遺伝子導入します。これで準備は完了。図のように紫印の物質が結合すると、RNAの立体構造が変化し、はじめて蛍光試薬の分子も結合できるようになります。蛍光試薬を細胞に投与すると、紫印の物質の多寡が、蛍光の明暗に反映され、細胞内の分布が分かるという寸法です。

このリボスイッチには、自然のものだけでも多種多様なものが知られています。ビタミンやその誘導体として、チアミン二リン酸・フラビンモノヌクレオチド・テトラヒドロ葉酸・コバラミン・モリブドプテリンなど。標準アミノ酸の、グリシン・リジン・グルタミン酸。タンパク質を標的としたセカンドメッセンジャーとしても知られる環状二量体グアノシンモノリン酸。糖の1種であるグルコサミンリン酸。さらには、マグネシウムイオンやフッ化物イオンなどなど。特異的な配列を持ったRNAに、これらの物質が結合することで、RNAの立体構造が変化します。そして、生体内では実際に、リボソームが近づきにくくなることで遺伝子の発現を調節するなど役割を果たしています。

人工の試験管内進化で得られたリボスイッチには、テトラサイクリン[3]をはじめいくつかが知られ、そもそも論文[2]で報告された蛍光試薬の分子と結合する配列も人工に選び出されたものです。どうしても作りたいと思えば、たいていの化合物のリボスイッチは、作ることができます。

論文[1]から論文[2]まで半年。タンパク質と異なり、立体構造の変化を予測しやすく配列をデザインして機能を操作しやすいRNAの性質を、蛍光試薬の使用方法に生かした鮮やかな報告だと思います。生きたままの観察が可能になることで、新たな分野が切り拓かれる日も近いかもしれません。

参考文献

1. “Fluorescence Imaging of Cellular Metabolites with RNA” Jeremy S. Paige et al. Science 2012 DOI: 10.1126/science.1218298
2. “RNA Mimics of Green Fluorescent Protein” Jeremy S. Paige et al. Science 2011 DOI: 10.1126/science.1207339
3. “Crystal structure of an in vitro evolved tetracycline aptamer and artificial riboswitch” Hong Xiao et al. Chem. Biol. 2008 DOI: 10.1016/j.chembiol.2008.09.004 

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