私たちが健康な生活を送るために病院や医療システムがあるように、細胞内のタンパク質が正しく機能するためには分子シャペロンが必須です。さらに、疾患ごとの専門医がいるように、シャペロンにもそれぞれの“専門”があり、複数のシャペロンがそれぞれ固有の機能を発揮することによって、新生タンパク質のフォールディング補助、失活した不良タンパク質の“治療”(再フォールディング)または分解などが行われます。翻訳されたタンパク質の大部分がシャペロンとの相互作用を介して成熟していき、シャペロン分子なしに細胞は生きていくことができません。 また、ガン細胞においてはシャペロンの発現量が異常に高まっていたり、反対にシャペロンの機能不全がアルツハイマー病、ALSなどの神経難病の要因となったりと、シャペロンは疾病との関連も深い生体分子の一つです。私たちは、このように多彩な機能を持つシャペロンに注目し、シャペロンがどうやって機能しているのか、そのメカニズムを分子レベルから解明することを目指した研究をしています。

Just as hospitals and medical systems in our society, molecular chaperones are essential components for keeping the protein homeostasis in the cell, in which each chaperone exerts specific functions just like a medical specialist.The functions of chaperones include assistance in the folding of newly synthesized proteins and in repairing or removing misfolded proteins. Cells cannot survive without chaperone molecules, because the majority of translated proteins are matured through interactions with chaperones. In addition, chaperone expression is abnormally upregulated in cancer cells, and chaperone dysfunction is a cause of neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease and ALS. Our research focuses on chaperones and aims to elucidate how chaperones function at the molecular level.

最新の研究によって、細胞内のタンパク質が、不均一な分散状態であることが明らかになってきています。生体膜で囲われていなくても、タンパク質の多量体形成を核とした「液-液相分離」によって、区分された液滴領域が形成され、生体反応の”場”が形成されます。この液-液相分離は、水中で、特定の成分が分散せず、集合して安定化する現象で、私たちの身近なところでは、ドレッシングの油滴などにおいてみられます。この現象を介したタンパク質による細胞内「反応場」の形成は、分子レベルでの現象と、細胞レベルでの機能をつなぐ概念として、細胞生物学や生化学のパラダイムを変革しつつあります。その理由は、生体反応と比較して、私たちが精製した生体分子で行う試験管内の反応はずっと非効率的であり、なぜ細胞内とこれほど異なるのか全く分かっていないからです。液-液相分離によって形成された特定の代謝反応のための「場」は、いわば自動車工場の生産ラインで専門の人員と部品が整然と配置されているように、細胞内での効率的な反応を可能にするシステムとして機能しうるのです。そればかりではなく、液-液相分離という概念は、筋萎縮性側索硬化症 (ALS）や認知症、アルツハイマー病などの神経疾患に対する研究を大きく変えようとしています。従来のアミロイド仮説に加え、液-液相分離の制御破綻と神経疾患の関連が強く示唆されています。私たちは、「相分離の制御と破綻」に注目し、特に相分離の制御因子に対する研究を推進しています。相分離制御因子についての立体構造解析から、相分離という状態がどのように制御されているのかを分子レベルで明らかにするとともに、制御破綻によって疾病が発症するメカニズムを理解します。本研究プロジェクトの一部は、競輪の補助を受けて実施しました。

◎相分離液滴がどのように制御されるのか？
◎生体内での機能がどのよう発揮されるのか？

The recent studies have revealed that proteins are heterogeneously dispersed in the cell. In addition to the isolation by lipid membrane, proteins can be assembled through “liquid-liquid phase separation (LLPS)” and isolated from other molecules, forming a “reaction field” of biological reactions. The formation of an intracellular reaction field by LLPS can cause paradigm shift in cell biology and biochemistry as a concept that links phenomena at the molecular level with functions at the cellular level. Sometimes enzymatic reactions in vitro are less efficient than in vivo, which is beginning to be explained with the concept of LLPS. In analogy to an assembly line in automobile factory, LLPS can assemble all the essential components, including specialized enzymes, precursors, and metabolites, in a specific location in the cell. This assembly line in the cell enables efficient reactions in the cell. The concept of liquid-liquid phase separation is also changing research concepts on neurodegenerative diseases including amyotrophic lateral sclerosis (ALS), dementia, and Alzheimer's disease. In addition to the conventional amyloid hypothesis, there is a strong suggestion of a link between the dysregulation of liquid-liquid phase separation and neurodegenerative diseases. We are focusing on the “regulation and disruption of phase separation”, and in particular, we are working on the study of the regulatory factors of phase separation. From the structural analysis of phase separation regulators, we are tying to clarify how phase separation is regulated at the molecular level, and understand the mechanism of pathogenesis due to disruption of the regulatory mechanism.

◎ How are phase-separated droplets controlled?
◎ How is the function in the living body exerted?

分子シャペロンをタンパク質社会の医療システムとすると、ストレスセンサーは秩序を監視する警察のような存在です。分子シャペロンは細胞内に大量に存在し、常に他のタンパク質が正常に働けるように“治療”を行っています。しかし、外部環境の変化によって、不良タンパク質の量が許容範囲を越えて蓄積してしまうことがよくあります。そのような状況下で、外部環境の変化や不良タンパク質の蓄積をストレスとして感知するのがストレスセンサーです。ストレスセンサーはストレスを感知すると活性化し、分子シャペロンを増やして不良タンパク質の“治療”を促進したり、分解経路を活性化して不良タンパク質の直接的な除去を促進したりします。このようなストレスに対する細胞の反応をストレス応答と呼びます。ストレス応答は、細胞の生死、ひいてはガンや糖尿病など様々な疾患とも関わるため長年研究されてきました。最近の研究では、細胞がストレスの量や質を判断して、ストレス応答も変化させることがわかってきましたが、実際にどうやってストレスの詳細な情報を集め、それを応答に反映させるのかはまだ分かっていません。私たちは、ストレスセンサー分子同士の会合に着目して、細胞がストレスの量や質を認識する分子メカニズム解明に取り組んでいます。

If we take molecular chaperones as the medical system of the protein society, then stress sensors are like the police that monitor the social order. Molecular chaperones exist in large numbers in cells and are constantly “curing” other proteins so that they can function properly. However, changes in the surrounding environment often cause the accumulation of misfolded proteins beyond the acceptable range. In such a situation, the stress sensor detects changes in the external environment and/or the accumulation of misfolded proteins as stress. When stress is detected, the stress sensor is activated to increase the supply of molecular chaperones to promote “curing” of misfolded proteins, or to activate the degradation pathway to promote direct removal of misfolded proteins. This reaction of the cell to stress is called the stress response. The stress response has been studied for many years because it is related to the life and death of cells, and eventually to various diseases such as cancer and diabetes. Recent studies have shown that cells can judge the quantity and quality of stress and also change their stress response, but how they actually gather detailed information about stress and reflect it in their response is still unknown. We are focusing on the oligomerization of stress sensor molecules to elucidate the molecular mechanism by which cells recognize the quantity and quality of stress.

生命における ”分子機械” として、タンパク質はそれぞれ特徴的な立体構造を有し、さらにそれをダイナミックに変化させることによって機能を発揮します。しかし、その構造変化がどの段階で、どのようなタイムスケールで起こるのか、といったタンパク質の “動き” に関する理解はほとんど進んでいません。私たちは、NMRや常磁性ランタノイドイオン、タンパク質工学などを用いた戦略によって、タンパク質の立体構造変化を追跡する手法の開発に取り組んでいます。

As the “molecular machine” in life, each protein has a characteristic three-dimensional structure, and functions by dynamically changing its structure. However, little is known about the dynamics of proteins, such as at what stage and on what timescale these structural changes occur. Furthermore, the structure-function as well as dynamics-function relationships are poorly understood. We are developing a method to investigate the conformational changes of proteins by using strategies exploiting NMR, paramagnetic lanthanide ions, and protein engineering.