生命金属動態を制御するシャペロン分子ネットワークの解明

• Project Area: Integrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System
• Project/Area Number: 19H05765
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 古川 良明 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (40415287)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥82,940,000 (Direct Cost: ¥63,800,000、Indirect Cost: ¥19,140,000); Fiscal Year 2023: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2022: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2021: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2020: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2019: ¥19,500,000 (Direct Cost: ¥15,000,000、Indirect Cost: ¥4,500,000)
• Keywords: 金属シャペロン / 神経変性疾患 / 金属タンパク質 / 筋萎縮性側索硬化症 / SOD1

Outline of Research at the Start

生体に存在する金属イオンは、その種類や濃度について恒常性が維持されており、その破綻は様々な疾患を発症させる要因となる。特に、認知症や運動障害をもたらす神経変性疾患では、脳・神経組織における重金属イオンの異常な蓄積・欠乏が進行しており、その是正は治療法確立に向けた重要な標的となりうる。本研究では、銅イオンの運搬に関わるタンパク質「銅シャペロン」に着目し、銅イオンの恒常性を司る細胞内ネットワークの全貌を明らかにすることを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、細胞内の主要な銅タンパク質である銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（SOD1）に着目し、特に銅動態の細胞内制御と、その破綻に伴うSOD1ミスフォールディングのメカニズムについて研究を進めている。SOD1のミスフォールディング（構造異常）は神経変性疾患の病理学的変化の一つであることから、SOD1に関する構造・機能研究を通じて、生命金属動態の破綻がもたらす疾患発症の機序を理解することを目的としている。
本年度には、異なる銅シャペロン（HAH1とCCS）の間で、亜鉛イオンを介して相互作用することを明らかにでき、その生理的意義についてはさらに検討を進めているものの、原著論文として報告することができた。また、SOD1のミスフォールディングメカニズムを解明するべく、イオンモビリティ質量分析によるコンフォメーション解析や、LA-ICP-MSを駆使した組織内金属分布解析、ミスフォールド型SOD1を特異的に認識する分子の開発などを、新学術領域内での連携研究として進めることができた。現時点で多くの連携研究が進行中であるが、５報の原著論文と１報の総説論文を報告するとともに、３件の招待講演と８件の口頭発表を行うことができた。今後は、上述の連携研究を進めて原著論文として取りまとめるとともに、バクテリアに発現する新規SOD1タンパク質の構造機能解析などにも取り組み、生命金属動態による金属タンパク質活性化のメカニズム解明を進めていく予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

１．亜鉛イオンを介した銅シャペロン間の相互作用
SOD1に銅イオンを供給する銅シャペロンCCSのN末端に位置するドメインI（CCSdI）は、重金属結合モチーフ（CxxC）を備えたフェレドキシン様の構造（HMAドメイン）を有している。しかし、CCSdIにおけるCxxCはSOD1への銅イオン供給に関与しておらず、その機能的役割は不明である。本研究では、HMAドメイン構造を有した別の銅シャペロンHAH1が、亜鉛イオンの存在下でCCSdIと複合体を形成することを見出した。一方で、HAH1との複合体形成がCCSによるSOD1の活性化機能を左右することはなく、HAH1-CCSdI複合体の解離定数もuMレベルであったことから、細胞内における銅シャペロン間相互作用の生理的意義の解明については今後の課題として検討中である。

２．バクテリアにみられる新規の銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ
SOD1はバクテリアからヒトまで様々な生物種に保存されており、活性中心として機能する銅イオンと、タンパク質構造の形成に必須の分子内ジスルフィド（S-S）結合を共通して有している。しかし、NCBIに登録されているSOD1のアミノ酸配列を精査したところ、パエニバシラス科に属するグラム陽性菌のSOD1（PaSOD）はシステイン残基を持たないことがわかった。そこで、P. lautusからPaSODをクローニングし、リコンビナントPaSODについて構造・機能解析を進めたところ、新規のフォールドを有したドメインを通じてホモ二量体を形成しており、S-S結合の代わりに疎水性相互作用を通じて、酵素活性の発揮に必要な立体構造を構築していることがわかった。

Strategy for Future Research Activity

新学術領域内において現在進行中の連携研究を継続することで、生命金属動態の破綻がSOD1のミスフォールディングに果たす役割について明らかにする。特に、ヒト神経変性疾患である筋萎縮性側索硬化症（ALS）のみならず、イヌの疾患である変性性脊髄症（DM）にも焦点をあて、生命金属動態という視点から、両疾患におけるSOD1の病理学的役割を解明する。

Research Products

• [Journal Article] Zinc-mediated interaction of copper chaperones through their heavy-metal associated domains (2023)
  • Author(s): Furukawa Yoshiaki、Matsumoto Kyoka、Nakagome Kenta、Shintani Atsuko、Sue Kaori
  • Journal Title: Journal of Trace Elements in Medicine and Biology Volume: 75 Pages: 127111-127111
  • DOI: 10.1016/j.jtemb.2022.127111
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metal distribution in Cu/Zn-superoxide dismutase revealed by native mass spectrometry (2022)
  • Author(s): Tajiri Michiko、Aoki Hiroto、Shintani Atsuko、Sue Kaori、Akashi Satoko、Furukawa Yoshiaki
  • Journal Title: Free Radical Biology and Medicine Volume: 183 Pages: 60-68
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2022.03.014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum-dot-labeled synuclein seed assay identifies drugs modulating the experimental prion-like transmission (2022)
  • Author(s): Imamura Yukio、Okuzumi Ayami、Yoshinaga Saki、Hiyama Akiko、Furukawa Yoshiaki、Miyasaka Tomohiro、Hattori Nobutaka、Nukina Nobuyuki
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 5 Issue: 1 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03590-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A rapid and simple electrochemical detection of the free drug concentration in human serum using boron-doped diamond electrodes (2022)
  • Author(s): Moriyama Hideto、Ogata Genki、Nashimoto Haruma、Sawamura Seishiro、Furukawa Yoshiaki、Hibino Hiroshi、Kusuhara Hiroyuki、Einaga Yasuaki
  • Journal Title: The Analyst Volume: 147 Issue: 20 Pages: 4442-4449
  • DOI: 10.1039/d2an01037b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A pathological link between dysregulated copper binding in Cu/Zn-superoxide dismutase and amyotrophic lateral sclerosis (2022)
  • Author(s): Furukawa Yoshiaki
  • Journal Title: Journal of Clinical Biochemistry and Nutrition Volume: 71 Issue: 2 Pages: 73-77
  • DOI: 10.3164/jcbn.22-42
  • ISSN: 0912-0009, 1880-5086
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel oxindole compounds inhibit the aggregation of amyloidogenic proteins associated with neurodegenerative diseases (2022)
  • Author(s): Kimura Shintaro、Kamishina Hiroaki、Hirata Yoko、Furuta Kyoji、Furukawa Yoshiaki、Yamato Osamu、Maeda Sadatoshi、Kamatari Yuji O.
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects Volume: 1866 Issue: 5 Pages: 130114-130114
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2022.130114
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A dual role of cysteine residues in the maturation of prokaryotic Cu/Zn-superoxide dismutase (2021)
  • Author(s): Furukawa Yoshiaki、Shintani Atsuko、Kokubo Teppei
  • Journal Title: Metallomics Volume: 13 Issue: 9
  • DOI: 10.1093/mtomcs/mfab050
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oxidative misfolding of Cu/Zn-superoxide dismutase triggered by non-canonical intramolecular disulfide formation (2020)
  • Author(s): Anzai Itsuki、Tokuda Eiichi、Handa Sumika、Misawa Hidemi、Akiyama Shuji、Furukawa Yoshiaki
  • Journal Title: Free Radical Biology and Medicine Volume: 147 Pages: 187-199
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2019.12.017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Prion-like Properties of Misfolded Cu/Zn-superoxide Dismutase in Amyotrophic Lateral Sclerosis: Update and Perspectives (2019)
  • Author(s): Tokuda Eiichi、Marklund Stefan L.、Furukawa Yoshiaki
  • Journal Title: YAKUGAKU ZASSHI Volume: 139 Issue: 7 Pages: 1015-1019
  • DOI: 10.1248/yakushi.18-00165-5
  • NAID: 130007670812
  • ISSN: 0031-6903, 1347-5231
  • Year and Date: 2019-07-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sequence- and seed-structure-dependent polymorphic fibrils of alpha-synuclein (2019)
  • Author(s): Tanaka Goki、Yamanaka Tomoyuki、Furukawa Yoshiaki、Kajimura Naoko、Mitsuoka Kaoru、Nukina Nobuyuki
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease Volume: 19 Issue: 6 Pages: 30065-1
  • DOI: 10.1016/j.bbadis.2019.02.013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Wild-type Cu/Zn-superoxide dismutase is misfolded in cerebrospinal fluid of sporadic amyotrophic lateral sclerosis (2019)
  • Author(s): Tokuda Eiichi、Takei Yo-ichi、Ohara Shinji、Fujiwara Noriko、Hozumi Isao、Furukawa Yoshiaki
  • Journal Title: Molecular Neurodegeneration Volume: 14 Issue: 1 Pages: 42-42
  • DOI: 10.1186/s13024-019-0341-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 筋萎縮性側索硬化症における銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼのミスフォールディング機序 (2023)
  • Author(s): 古川 良明
  • Organizer: 第 25 回日本亜鉛栄養治療研究会学術集会
  • Invited
• [Presentation] What Triggers Misfolding of Cu/Zn-Superoxide Dismutase in Neurodegenerative Diseases? (2022)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa
  • Organizer: 0th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference (AsBIC10)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 神経変性疾患にみられる SOD1 タンパク質への酸化修飾と構造異常化のメ カニズム (2022)
  • Author(s): 古川 良明
  • Organizer: 第 95 回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] Bacterial Cu/Zn-Superoxide Dismutase with a Novel Fold (2022)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa, Shuhei Narikiyo, Masato Akutsu, Atsuko Shintani
  • Organizer: The 8th International Symposium on Metallomics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mechanism of Copper Acquisition by Bacterial Cu/Zn-Superoxide Dismutase (2021)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A dual role of cysteine residues in the maturation of prokaryotic Cu/Zn-superoxide dismutase (2021)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 筋萎縮性側索硬化症に見られるタンパク質凝集のメカニズム (2021)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: 第8回日本アミロイドーシス学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 筋萎縮性側索硬化症における生命金属動態の破綻とSOD1タンパク質のミスフォールディング (2021)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: メタルバイオサイエンス研究会2021
  • Invited
• [Presentation] 細胞内で金属イオンを失ったSOD1タンパク質が辿る運命 (2021)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] 酸化ストレスに伴う金属タンパク質のミスフォールディングと神経変性疾患 (2021)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: 第74回日本酸化ストレス学会・第21回日本NO学会
  • Invited
• [Presentation] 銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼへの金属イオン結合の解析 (2021)
  • Author(s): 古川良明、田尻道子、明石知子
  • Organizer: 第47回生体分子科学討論会
• [Presentation] 大腸菌におけるスーパーオキシドディスムターゼの銅イオン獲得メカニズム (2020)
  • Author(s): 古川 良明
  • Organizer: 日本農芸化学会大会2020
  • Invited
• [Presentation] Demetallated Cu/Zn-superoxide dismutase as a pathogenic entity causing neurodegeneration (2019)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa
  • Organizer: Towards a cure for amyloid diseases: a successful example of precision and translational medicine
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Misfolded SOD1 as a pathological species in sporadic forms of amyotrophic lateral sclerosis (2019)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa
  • Organizer: The 4th Joint Conference between KMU and Keio University
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] タンパク質のミスフォールディングがもたらす神経変性疾患 (2019)
  • Author(s): 古川 良明
  • Organizer: 医工連携シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Demetallated Cu/Zn-superoxide dismutase as a pathogenic entity causing neurodegeneration (2019)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa
  • Organizer: Biometal Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A misfolding of Cu/Zn-superoxide dismutase in amyotrophic lateral sclerosis (2019)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa
  • Organizer: The 10th APRU Population Aging Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A misfolding mechanism of Cu/Zn-superoxide dismutase under oxidative conditions of amyotrophic lateral sclerosis (2019)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa, Itsuki Anzai, Eiichi Tokuda, Atsushi Mukaiyama, Shuji Akiyama
  • Organizer: 15th International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 神経変性疾患関連タンパク質SOD1の自己酸化によるミスフォールディング機構 (2019)
  • Author(s): 安齋 樹、徳田 栄一、向山 厚、秋山 修志、古川 良明
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 銅シャペロンCCSがSOD1タンパク質に銅イオンを供給するメカニズム (2019)
  • Author(s): 羽飼 友昭、福岡 真実、古川 良明
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 大腸菌における銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼの生理的役割 (2019)
  • Author(s): 古川 良明、吉田 昴生
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] バクテリアにおける銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼの生理的役割 (2019)
  • Author(s): 古川 良明、吉田 昂生、草野 孝央、高橋 愛海
  • Organizer: メタルバイオサイエンス研究会2019
• [Remarks] Furukawa Lab.
  • URL: https://furukawa-lab.org
• [Remarks]
  • URL: https://furukawa-lab.org
• [Remarks]
  • URL: https://bio-metal.org
• [Remarks] 生命金属科学（IBmS） | 生命の金属活用戦略を知る
  • URL: https://bio-metal.org
• [Remarks] Integrated Bio-metal Science
  • URL: https://ibms.mixh.jp
• [Remarks] 生命機構化学研究室
  • URL: https://furukawa-lab.org