見学美根子 高等研究院物質－細胞統合システム拠点（iCeMS＝アイセムス）教授、村上達也 同准教授（現?富山県立大学教授）、川端ケリー 生命科学研究科博士課程学生、中辻博貴 大阪大学特任研究員らの研究グループは、金の微粒子を用いて細胞内に遺伝子を運び込み、数秒の光刺激で狙った細胞に好きなタイミングで遺伝子発現を誘導する方法を開発しました。組織や生体における遺伝子の機能解析に有用な技術であり、将来的には遺伝子治療への応用が期待される成果です。
本研究成果は、2017年7月5日午後6時に英国の科学誌「Scientific Reports」で公開されました。
研究者からのコメント
左から、中辻特任研究员、川端博士课程学生、村上准教授、见学教授
现在の细胞光操作技术は生体由来の光応答性タンパク质を利用し、その吸収波长である青色光や鲍痴光など短波长光を用いるものが主流です。そのため光源の毒性や、透过性の低さが课题となっています。本研究ではナノ材料を用いて、毒性が低く组织への透过性が高い近赤外光により1细胞レベルで目的の遗伝子発现を诱导できる新技术を开発しました。近赤外光刺激は可视光领域での蛍光観察と併用することが可能である点も重要な利点であり、広く生命科学分野の解析に有効な方法になる可能性があります。今后は生体に适用し、脳科学や遗伝子治疗の基盘技术を提供できればと考えています。
本研究成果のポイント
- 金ナノロッド粒子を用いた高効率で安全な遗伝子导入法の确立
- 金ナノロッド粒子を用いて数秒の近赤外光照射で遗伝子発现を诱导する技术の确立
- 一度の细胞导入操作で狙った细胞に任意のタイミングで遗伝子発现させることが可能
概要
遗伝子発现とは、遗伝子が持つ情报に基づいてタンパク质分子が合成されることで、いわば「情报」を実际の「生命现象」に変える现象です。遗伝子発现を操作することは生命现象の分子メカニズムを理解するために非常に重要で、复雑に构成された生体组织の中で、任意の细胞に任意のタイミングで、特定の遗伝子発现を诱导する技术が求められています。
遗伝子発现を诱导する一つの方法として、生体が热ストレスに反応する机构を利用し、42℃前后の高温刺激を与えて诱导する方法は、以前より确立されていました。狙った细胞でのみ温度を上げる方法として、従来细胞内の水分子をレーザー照射で直接加热する手法が考案されていましたが、适切な温度で安定的な热刺激を与えることが困难でした。
この问题を解消するため、今回本研究グループは、金ナノロッドという约50苍尘（1苍尘は1尘尘の100万分の1）のナノ粒子を用いました。金ナノロッドは光を吸収して热を発生させることや、生体适合性が高いことで知られています。
まず、热に反応して発现する蛍光タンパク质遗伝子を作成しました。そして、金ナノロッドに特殊なコーティングを施すことでこの遗伝子を吸着させた上で、细胞内に导入しました。そこで、细胞に近赤外レーザー光を照射すると、照射した细胞内の温度が上昇し、照射中は一定の温度に保たれることがわかりました。また、レーザー光の密度を调整することで细胞内の温度を调整することが可能で、遗伝子発现の诱导に必要な照射时间も大きく短缩されました。
この手法を用いることにより、わずか数秒のレーザー光照射で、1细胞単位で任意の细胞だけに、任意のタイミングで、目的の遗伝子発现を诱导することができました。また、応用的な试みとして、「罢搁础滨尝分子」という、がん细胞と结びつくことでそのがん细胞を杀す机能を持つタンパク质を、光照射による热刺激で発现させ、周囲のヒトがん细胞が细胞死する现象も确认しました。
図：（上）金ナノロッドを用いた遗伝子の导入と発现诱导。金ナノロッドを电荷を持つ脂质でコーティングすると、効率的に顿狈础を吸着し细胞内に运び込むことができる。今回本研究グループは、热に応答して発现する遗伝子を作成し金ナノロッドに吸着させた。近赤外光の照射により金ナノロッドが热を発生することで、この遗伝子の発现を诱导することができる。
（下）通常の细胞には発现せずがん细胞だけに特异的に発现する罢搁础滨尝受容体は、罢搁础滨尝分子と结合すると、その细胞を细胞死させる。热で発现诱导されるように设计した罢搁础滨尝分子を金ナノロッドに吸着させ、がん细胞に导入。近赤外光照射で金ナノロッドが热を発すると、细胞内で罢搁础滨尝分子が発现を诱导され、周辺のがん细胞を细胞死させることができる。
详しい研究内容について
书誌情报
【顿翱滨】
【碍鲍搁贰狈础滨アクセス鲍搁尝】
Hirotaka Nakatsuji, Kelly Kawabata Galbraith, Junko Kurisu, Hiroshi Imahori, Tatsuya Murakami & Mineko Kengaku (2017). Surface chemistry for cytosolic gene delivery and photothermal transgene expression by gold nanorods. Scientific Reports, 7, 4694.
