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、中辻特任研究員、川端博士課程学生、村上准教授、見学教授
現在の細胞光操作技術は生体由来の光応答性タンパク質を利用し、その吸収波長である青色光やUV光など短波長光を用いるものが主流です。そのため光源の毒性や、透過性の低さが課題となっています。本研究ではナノ材料を用いて、毒性が低く組織への透過性が高い近赤外光により1細胞レベルで目的の遺伝子発現を誘導できる新技術を開発しました。近赤外光刺激は可視光領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。今後は生体に適用し、脳科学や遺伝子治療の基盤技術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遺伝子導入法の確立
- 金ナノロッド粒子を用いて数秒の近赤外光照射で遺伝子発現を誘導する技術の確立
- 一度の細胞導入操作で狙った細胞に任意のタイミングで遺伝子発現させることが可能
概要
遺伝子発現とは、遺伝子が持つ情報に基づいてタンパク質分子が合成されることで、いわば「情報」を実際の「生命現象」に変える現象です。遺伝子発現を操作することは生命現象の分子メカニズムを理解するために非常に重要で、複雑に構成された生体組織の中で、任意の細胞に任意のタイミングで、特定の遺伝子発現を誘導する技術が求められています。
遺伝子発現を誘導する一つの方法として、生体が熱ストレスに反応する機構を利用し、42℃前後の高温刺激を与えて誘導する方法は、以前より確立されていました。狙った細胞でのみ温度を上げる方法として、従来細胞内の水分子をレーザー照射で直接加熱する手法が考案されていましたが、適切な温度で安定的な熱刺激を与えることが困難でした。
この問題を解消するため、今回本研究グループは、金ナノロッドという約50nm（1nmは1mm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熱を発生させることや、生体適合性が高いことで知られています。
まず、熱に反応して発現する蛍光タンパク質遺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遺伝子を吸着させた上で、細胞内に導入しました。そこで、細胞に近赤外レーザー光を照射すると、照射した細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調整することで細胞内の温度を調整することが可能で、遺伝子発現の誘導に必要な照射時間も大きく短縮されました。
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細胞単位で任意の細胞だけに、任意のタイミングで、目的の遺伝子発現を誘導することができました。また、応用的な試みとして、「TRAIL分子」という、がん細胞と結びつくことでそのがん細胞を殺す機能を持つタンパク質を、光照射による熱刺激で発現させ、周囲のヒトがん細胞が細胞死する現象も確認しました。
図：（上）金ナノロッドを用いた遺伝子の導入と発現誘導。金ナノロッドを電荷を持つ脂質でコーティングすると、効率的にDNAを吸着し細胞内に運び込むことができる。今回本研究グループは、熱に応答して発現する遺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熱を発生することで、この遺伝子の発現を誘導することができる。
（下）通常の細胞には発現せずがん細胞だけに特異的に発現するTRAIL受容体は、TRAIL分子と結合すると、その細胞を細胞死させる。熱で発現誘導されるように設計したTRAIL分子を金ナノロッドに吸着させ、がん細胞に導入。近赤外光照射で金ナノロッドが熱を発すると、細胞内でTRAIL分子が発現を誘導され、周辺のがん細胞を細胞死させることができる。
詳しい研究内容について
書誌情報
【DOI】 https://doi.org/10.1038/s41598-017-04912-1
【KURENAIアクセスURL】 http://hdl.handle.net/2433/226370
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.
