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 / スーパーオキシドディスムターゼ / 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

銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（CuZnSOD）はバクテリアからヒトまで広く保存されたタンパク質で、銅イオンと亜鉛イオンを結合し、スーパーオキシドの不均化を触媒する抗酸化酵素である。また、CuZnSODが酵素活性を発揮するためには、分子内ジスルフィド（S-S）結合の形成が必要であることが知られている。しかし、グラム陽性菌であるPaenibacillus lautusが有するCuZnSOD（PaSOD）にはシステイン残基がなく、酵素活性を発揮できるのか不明であった。また、PaSODは、他の生物種由来のCuZnSODには見られないドメイン構造を有していることが予想され、その機能や意味についても明らかでない。そこでまず、PaSODをリコンビナントタンパク質として調製・精製したところ、CuZnSODとしての酵素活性を有していることを見出した。次に、PaSODがS-S結合の形成なく酵素活性を発揮できる理由を明らかにするために、結晶構造解析を行ったところ、S-S結合の代わりにフェニルアラニンとグリシンの側鎖間での疎水性相互作用が形成しており、CuZnSODのフォールドを維持していることがわかった。実際、疎水性相互作用を破壊するアミノ酸置換を導入すると、PaSODの酵素活性は低下した。さらに、PaSODに特有のドメインは、これまでに報告のないフォールドを有しており、PaSODの二量体化を担っていることがわかった。最後に、PaSODはP. lautusの増殖定常期に発現し始めることが確認されたものの、その生理的役割の理解については今後の課題となった。システイン残基は最も酸化されやすいアミノ酸であることからも、PaenibacillusはCuZnSODを抗酸化酵素として効率よく機能させるために、システイン残基を使わないという戦略をとったのではないかと考えている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本課題では、銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（CuZnSOD）に着目し、その構造・機能解析を通じて、生体内における銅イオン・亜鉛イオンの動態制御メカニズムを理解するとともに、その破綻が生命現象にもたらす影響を明らかにすることを目的にしている。前年度までに、ネイティブ質量分析を駆使したCuZnSODへの新たな金属結合状態解析手法の開発に成功し、分子内ジスルフィド（S-S）結合によるCuZnSODへの金属結合の制御メカニズムを明らかにした。今年度は実績の概要にも記載したように、新たなタイプのCuZnSODの構造・機能解析を行うことで、グラム陽性菌が酸化的環境に対応するための戦略について考察することができた。よって、概ね順調に本課題を推進することができている。

Strategy for Future Research Activity

今年度に引き続き、他のバクテリアが有する特徴的なCuZnSODに着目し、その構造・機能解析を進めることで、CuZnSODの生理的な存在意義について明らかにしたい。また、CuZnSODの活性化不全やミスフォールディングを伴う病理に着目したプロジェクトについても進めている。特に、変異型CuZnSODを病因タンパク質とする筋萎縮性側索硬化症（ALS）や変性性脊髄症（DM）について、ミスフォールディング機序の解明に引き続き取り組む計画である。

Research Products

• [Journal Article] Engineering a monobody specific to monomeric Cu/Zn‐superoxide dismutase associated with amyotrophic lateral sclerosis (2024)
  • Author(s): Amesaka Hiroshi、Hara Mizuho、Sakai Yuki、Shintani Atsuko、Sue Kaori、Yamanaka Tomoyuki、Tanaka Shun‐ichi、Furukawa Yoshiaki
  • Journal Title: Protein Science Volume: 33 Issue: 4
  • DOI: 10.1002/pro.4961
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Intrinsic structural vulnerability in the hydrophobic core induces species-specific aggregation of canine SOD1 with degenerative myelopathy-linked E40K mutation (2023)
  • Author(s): Hashimoto Kei、Watanabe Seiji、Akutsu Masato、Muraki Norifumi、Kamishina Hiroaki、Furukawa Yoshiaki、Yamanaka Koji
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 299 Issue: 6 Pages: 104798-104798
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2023.104798
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Characterization of a novel cysteine-less Cu/Zn-superoxide dismutase in Paenibacillus lautus missing a conserved disulfide bond (2023)
  • Author(s): Furukawa Yoshiaki、Shintani Atsuko、Narikiyo Shuhei、Sue Kaori、Akutsu Masato、Muraki Norifumi
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 299 Issue: 8 Pages: 105040-105040
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2023.105040
• [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] 銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼの成熟化を通じて理解する生体内銅動態の重要性 (2024)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 組織特異的な金属ホメオスタシスが神経変性疾患の病理に果たす役割 (2023)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: 第23回日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] デイノコッカス属細菌に見られる新規マルチドメイン型の銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ (2023)
  • Author(s): 古川良明、目加田祐道、新谷敦子、須恵香里、村木則文
  • Organizer: 第49回生体分子科学討論会
• [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] 生命機構化学研究室（古川研）
  • URL: https://furukawa-lab.org
• [Remarks] 生命金属科学
  • URL: https://bio-metal.org/
• [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