【ポイント】

・従来は困難だったヒト由来Gタンパク質共役型受容体（GPCR）の実験室内人工進化を無細胞タンパク質合成系とナノディスク技術の組み合わせで実現
・新規「アデノシンA_2A受容体（A_2AR）」変異体を同定。哺乳動物細胞内で内因性リガンドであるアデノシンへの応答性を保持しながら、阻害剤感受性を10倍以上に向上
・新規変異体を用いることで、A_2ARシグナルを細胞種選択的に制御できることを実証
・細胞を用いることなく、GPCR変異体ライブラリーサイズを約1兆（10¹²）規模に拡大可能に

東京科学大学（Science Tokyo）生命理工学院 生命理工学系の深澤元喜修士課程学生（研究当時）、北尾彰朗教授、同大学 地球生命研究所の松浦友亮教授、福永圭佑特任助教（現：宮崎大学研究・産学地域連携推進機構 テニュアトラック推進室 准教授）、名古屋大学大学院工学研究科 松岡佑真博士後期課程学生、清中茂樹教授、千葉大学 大学院理学研究院 村田武士教授らの研究チームは、細胞を用いずに膜タンパク質を実験室内で人工進化させる技術を開発し、リガンド結合能が10倍程度向上したヒト由来アデノシン「A_2A受容体（A_2AR）」の変異体を同定しました。この変異体を用いることで細胞種特異的なシグナル伝達系の制御が可能です。
細胞外のシグナルを細胞内に伝える役割を担う「Gタンパク質共役型受容体（GPCR: G Protein-Coupled Receptor）（用語1）」の機能を改変した変異体を、合理的に設計することは、膜タンパク質の柔軟性・不溶化しやすい特性から難しく、多くの試行錯誤を要します。本研究では、無細胞タンパク質合成系（用語2）とナノディスク技術を組み合わせ、GPCRの１つであるA_2ARが機能発現するよう条件を最適化しました。さらに、実験室進化と次世代シーケンサー（用語3）解析を用いて、変異体集団から特定の阻害剤に対する結合能が向上した変異体を同定しました。変異体は、哺乳動物細胞においてシグナル阻害活性が10倍程度向上しており、この分子機構を原子レベルのシミュレーションで明らかにしました。さらに獲得された変異体の特性を利用し、細胞種特異的にGPCRシグナル伝達を抑制可能であることも示しました。

本研究で開発した手法は、約10¹²種類規模のGPCRライブラリーから目的の機能を持つ変異体をスクリーニング可能とするものであり、創薬やケモジェネティクス（用語4）分野における新規GPCR変異体探索の基盤技術となることが期待されます。
本成果は、３月６日付（現地時間）の「Journal of the American Chemical Society」誌に掲載されました。

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【用語説明】

（1）Gタンパク質共役型受容体（GPCR: G Protein-Coupled Receptor）：細胞膜に存在する受容体タンパク質のファミリーで、ホルモンや神経伝達物質、光、匂い物質など、細胞外のシグナルを細胞内に伝える役割を担う。
（2）無細胞タンパク質合成系：転写に必要なRNAポリメラーゼや翻訳に必要なリボソームなどタンパク質合成に必要な成分を含む反応液である。試験管内で本反応液にDNA／mRNAを追加するだけでタンパク質を合成できる。
（3）次世代シーケンサー：DNAの塩基配列を高速かつ大量に読み取る技術。
（4）ケモジェネティクス：遺伝子工学と化学物質を組み合わせて、特定の細胞内シグナル伝達を選択的に操作する技術。

【論文情報】

掲載誌：Journal of the American Chemical Society
論文タイトル：In vitro evolution of the adenosine A_2A receptor based on an antagonist binding using a ribosome display
著者：Genki Fukasawa^#, Yuma Matsuoka^#, Duy Phuoc Tran, Haruka Nishigaki, Keisuke Fukunaga, Takayoshi Watanabe, Tomohiro Doura, Naohiro Terasaka, Ako Kagawa, Takeshi Murata, Akio Kitao,* Shigeki Kiyonaka,* Tomoaki Matsuura*
DOI：10.1021/jacs.6c02372

URL：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c02372
#：共同筆頭著者、*：責任著者

【研究代表者】

大学院工学研究科 清中 茂樹 教授、堂浦 智裕 講師、松岡 佑真 博士後期課程学生
https://www.chembio.nagoya-u.ac.jp/labhp/life1/index.html