生細胞内では多くの重要なメッセージがタンパク質間の相互作用を介して伝達されている。これらのシグナルを正確に中継するためには、各タンパク質が特定のパートナーとのみ相互作用し類似のタンパク質との望ましくないクロストークを回避する必要がある。
MIT の新研究では、これらタンパク質間のクロストークを細胞がどのように防いでいるかを明らかにし、また、細胞がシグナル伝達に使用していない膨大な数のタンパク質相互作用が残っていることを示した。 これは、合成生物学者が細胞の既存のシグナル伝達経路に干渉することなく、疾患の診断などのアプリケーション応用可能な新しいタンパク質の組み合わせを選び出せることを意味している。
「ハイスループットアプローチを使用すると、特定の相互作用の多くの直交バージョンを生成でき、そのタンパク質複合体のさまざまな独立バージョンをいくつ構築できるかを確認できる」と、MIT の大学院生であり、 この論文の著者の Conor McClune 氏は述べた。
2019 年 10 月 23 日に Nature でオンラインで公開されたこの論文は、シグナル伝達タンパク質の新しいペアを作成し、特定の植物ホルモンに遭遇すると黄色の蛍光を発する大腸菌細胞を操作することで、それらがどのように 新しいシグナルを新しい出力にリンクするために使用できるか実証した。 この論文は、「直交シグナル伝達経路を設計することで配列空間の疎な占有を明らかにする。（Engineering Orthogonal Signaling Pathways Reveals the Sparse Occupancy Of Sequence Space.）」と題されている。
MIT の生物学教授である Michael Laub 博士（写真）はこの研究の上級著者だ。 その他著者として、Aurora Alvarez-Buylla 氏、Christopher Voigt 博士、そして Daniel I.C. Wang 教授が含まれている。
この研究では研究者は、2 コンポーネンツシグナル伝達と呼ばれるシグナル伝達経路のタイプに注目した。これは、細菌や他の生物に見られる。 多種多様な 2 成分経路は、細胞が既に持っているシグナル伝達タンパク質の遺伝子を複製し、次にそれらを変異させて類
似のタンパク質のファミリーを作製するプロセスを通じて発展させた。
「生物がこの少数のシグナル伝達ファミリーを劇的に拡大できることは本質的に有利だが、これらのシステム間のクロストークがすべて類似しているというリスクがある」と Laub 博士は語った。 「情報フローの忠実度をどのように維持し、特定の入力を特定の出力にどのようにリンクするか？それは細胞において興味深い課題だ。」
これらのシグナル伝達ペアのほとんどは、キナーゼと呼ばれる酵素と、キナーゼによって活性化される基質で構成されている。 細菌はさまざまなシグナルを伝達するタンパク質ペアを数十または数百も有することがある。
約 10 年前、Laub 博士は、バクテリアキナーゼとその基質間の特異性は、各パートナータンパク質の 5 つのアミノ酸のみによって決定されることを示した。（参考）
これにより、既存の経路に干渉しない可能性のある独自の組み合わせのすべてを、細胞がすでに使い果たしているかという疑問が生じた。
他のラボの以前の研究では、互いに干渉しない相互作用の可能な数が不足しているかもしれないことを示唆していたが、証拠は決定的ではなかった。 MIT の研究者は、PhoQ および PhoP として知られる既存の大腸菌シグナル伝達タンパク質のペアから始め、その特異性を決定する領域に突然変異を導入する体系的なアプローチを取ることを決定した。
これにより、10,000 ペア以上のタンパク質が得られた。 研究者は、各キナーゼをテストして、基質のいずれかを活性化するかどうかを確認し、相互作用するが、大腸菌に見られる親タンパク質、他の新しいペア、または他の種類のキナーゼ基質ファミリーではない約200 のペアを特定した。
「我々が見つけたのは、2 つのタンパク質が相互作用してシグナルを伝達し、細胞内で他の誰とも話さないという、うまく機能する組み合わせを見つけるのは非常に簡単だということだ」と Laub 博士は述べた。
彼は現在、他の多くの可能な組み合わせが自然に進化せず、細胞によって使用される特定のタンパク質ペアの進化の歴史を再構築しようとしている。
合成回路
この研究はまた、他の細胞タンパク質とクロストークしないタンパク質ペアに基づいて新しい合成生物学回路を作成するための新しい戦略を提供する、と研究者は語る。 その可能性を実証するために、科学者は新しいタンパク質ペアの 1 つを取り、トランスゼアチンと呼ばれる植物ホルモンによって活性化されるようにキナーゼを変更し、キナーゼが活性化すると黄色く光るように基質を設計した。
「これは、細胞内に合成回路を配置するという課題の 1 つを克服できることを示している。
つまり、細胞はすでにシグナル伝達タンパク質で満たされている。」 「種間でセンサー
または回路を移動しようとすると、最大の問題の 1 つは、既に存在する経路を妨害するこ
とだ。」と Voigt 博士は述べた。
この新しいアプローチの 1 つの可能性は、他の微生物を検出する回路の設計だ。 このような回路は、感染症の診断に役立つプロバイオティクス細菌を作成するのに役立つ。
ヒト細胞での使用に適応した場合、このアプローチは、研究者が癌細胞を破壊するためにヒト T 細胞をプログラムする新しい方法を設計するのにも役立つ。 CAR-T 細胞療法として知られるこのタイプの療法は、一部の血液がんの治療に承認されており、他のがんにも同様に開発されている。
関与するシグナル伝達タンパク質はこの研究のものとは異なるが、「治療薬が工学的タンパク質のセットを取得し、それらを新規のゲノムコンテキストに入れる能力に依存し、干渉しないことを期待するという点で同じだ。すでに細胞内には経路がある。」と McClune 氏は述べた。
Bioquicknews:MIT Scientists Build Proteins That Avoid Crosstalk with Existing Molecules; Engineered Signaling Pathways Could Offer New Strategy for Building Synthetic Biology Circuits; Approach Could Improve CAR-T Cell Therapy for Cancer, Among Other Applications
