マグネシウムイオン(以後Mg2+)は細胞内で最も多く存在する2価イオンであり、細胞内で300種類以上の酵素の活性、イオンチャネルに影響を与えるなど重要な役割を担っている。また、近年セカンドメッセンジャーとして機能していると報告され注目を集めている。細胞内Mg2+濃度は、通常0.5-1 mMの間で制御されているが、この恒常性の異常は高血圧、糖尿病、パーキンソン病などの疾患を誘発する。しかし、その詳しいメカニズムは解明されていない。つまり、細胞内Mg2+研究はこれらの疾患のメカニズム解明や新たな生命現象 の発見に貢献できる可能性を持つ。従来のMg2+蛍光プローブは選択性が乏しくカラーバリエーションが少ないといった問題点があった。そこで近赤外領域（650〜900 nm）に極大蛍光を持つ新規マグネシウムイオン蛍光プローブ（KMG-501）を開発した。近赤外蛍光色素としてSi-ローダミン、Mg2+キレート部位にはチャージドベータジケトンリガンドを選択した。この分子は光誘起電子移動（PeT）機構により蛍光のOFF-ONを制御できる。分子設計通り、近赤外領域においてMg2+に対するTurn-ON型のPeT応答を示した。その他のアルカリ、アルカリ土類金属イオンに対しても高い選択性が確認された。そして、KMG-501と可視光域に蛍光を持つミトコンドリアの膜電位、ATP蛍光プローブとのマルチカラー細胞イメージングを達成した。
さらに、細胞小器官選択的なイメージングを目的として、タグタンパク質であるHaloTagに共有結合可能なリガンドを導入したKMG-501Haloの合成を行った。目的化合物の合成は質量分析計により確認できたが、反応で生じる副生成物との分離精製を現在進めている。KMG-501-Haloを開発できれば、ターゲットの細胞小器官の時空間的Mg2+イメージング、蛍光タンパク質とのFRETセンサーとすることで定量的なMg2+イメージングが可能になる。
また、本研究に関連する総説を執筆し、日本化学会のChemistry Letters誌に掲載された。
The magnesium ion (Mg2+) is an essential cation for maintaining proper cellular activities. To visualize the dynamics and functions of Mg2+, there is a great need for the development of Mg2+-selective fuorescent probes. However, conventional Mg2+ fluorescent probes are falling behind in low selectivity and poor fluorescence color variation. In this research, we have developed a Mg2+ probe KMG-501, that has high selectivity for Mg2+ and shows fluorescence in the near-infrared (NIR) region. KMG-501 consists of a charged β-diketone as a selective binding site for Mg2+ and a tetrametyl-substituted Si-rhodamine residue as the NIR fluorophore, which showed OFF-ON response to the concentration of Mg2+. KMG-501 succeeded in imaging intracellular Mg2+ dynamics with NIR fluorescence. Moreover, it allows to simultaneously visualize changes in Mg2+ and ATP concentration and also mitochondrial inner membrane potential and their interactions.
Furthermore, for the organelle-selective imaging, we synthesized KMG-501Halo having a covalently binding ligand to HaloTag Protein. Although the synthesis of the target compound was confirmed by mass spectrometry, purification from the by-products generated in the reaction are currently underway. If KMG-501Halo can be developed, it will be possible to perform spatiotemporal imaging of Mg2+ in the target organelle and quantitative Mg2+ imaging by the FRET sensor consisting of the combination of KMG-501Halo and fluoresent protein.
In addition, he wrote a review related to this research and published it in Chemistry Letters of the Chemical Society of Japan.
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