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研究最前線 2022年10月7日

StayGoldが放つあせない蛍光

特定の分子に目印となる蛍光分子を結合させる蛍光標識の技術は、現代の生命科学研究に欠かせないものです。数多くの蛍光タンパク質技術を開発してきた宮脇敦史チームリーダー(TL)は、従来の蛍光タンパク質の色あせやすいという弱点を克服し、長く光り続ける新たな蛍光タンパク質「StayGold」を開発しました。

明るさを目指すほど早く光が失われるという問題

オワンクラゲから発見された緑色蛍光タンパク質(GFP:Green Fluorescent Protein)は、青い光(励起光)を照射すると、その光を吸収し緑色の蛍光を発する。GFPで標識することで、生きた細胞内の細胞小器官(小胞体やミトコンドリアなど)の形や動きをリアルタイムに可視化できる。

蛍光タンパク質は、光を吸収する構造単位としての発色団を自らつくり出す。光を吸収すると、初めは蛍光を発するが、次第に発色団を壊して「褪色」し蛍光活性をまったく失う。実はGFPなどの既存の蛍光タンパク質には褪色しやすいという弱点がある。サンプルに当てる励起光を強くすると褪色が目立って定量的な観察ができなくなってしまう。

この問題を克服したのが、タマクラゲの緑色蛍光タンパク質CU17Sから生まれた変異体だ。GFPなど既存の蛍光タンパク質に比べてより明るくしかも10~100倍も長く褪色せずに光り続ける(図1)。

「いつの日か蛍光タンパク質の褪色問題を克服できたら『StayGold』と名付けようと決めていました。明るくいつまでも輝き続けて、という期待をほのめかして」と話す宮脇TL。

生きた細胞における蛍光タンパク質ごとの蛍光持続時間の図

図1 生きた細胞における蛍光タンパク質ごとの蛍光持続時間

StayGoldと既存の緑色蛍光タンパク質(EGFP、SiriusGFP、mClover3、mNeonGreen)をそれぞれ発現する培養細胞に強い青色光を連続的に照射して蛍光強度をプロット。蛍光タンパク質1分子が1秒間に放出する光子の数が1,000個から減少する速度を定量的に比較。StayGoldは高い光安定性(褪色しにくさ)を示した。

一般的に、超解像光学顕微鏡観察においては強い励起光が必要だが、StayGoldを使うと長時間の連続的な超解像観察が可能になる。実際に、小胞体の細管が高速で振動する様子を、6分間にわたってしかも細胞全体にわたって観察することに成功した(図2)。

StayGoldによる小胞体の標識の図

図2 StayGoldによる小胞体の標識

培養細胞の小胞体の内腔にStayGoldを設置して、毎秒134枚の高速度で超解像観察を行った。細胞全体に張り巡らされる小胞体ネットワークの動きが解析できる。

試験管内で数億年の生物進化を超える

蛍光タンパク質の実用的開発の極意を、「試験管内で蛍光タンパク質を人工的に進化させることは、クラゲやサンゴが何億年もかけて遂げた進化をわずか数日で上回る試み」と宮脇TLは表現する。さまざまな生物(主に刺胞動物)の蛍光タンパク質に対して遺伝子変異を重ね、その中から突出した性質を示すものを見つけ出す。そうやってタマクラゲの蛍光タンパク質からStayGoldは開発された。

現時点でStayGoldは二量体を形成するという問題を抱えている。標識した分子の局在や機能が影響を受ける可能性がある。安心して他のタンパク質に連結できるよう、単量体StayGoldを鋭意開発中だ。

「バイオイメージングの醍醐味は生きた状態で見る"ライブイメージング"」と宮脇TL。「StayGoldが褪色しにくい機序が分かれば同様の蛍光タンパク質が赤色領域で開発される可能性も。褪色に向き合う研究は始まったばかりです。蛍光タンパク質技術にゲノム編集技術など日進月歩の遺伝子発現技術を融合することで、バイオイメージングの時空間スケールを自在に拡張させたい」と抱負を語った。

(取材・構成:牛島美笛/撮影:古末拓也/制作協力:サイテック・コミュニケーションズ)

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