In-cell chemistry of supersulfur species in biology

• Project Area: Life Science Innovation Driven by Supersulfide Biology
• Project/Area Number: 21H05259
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Nagoya City University
• Principal Investigator: 中川 秀彦 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(薬学), 教授 (80281674)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 異島 優 京都薬科大学, 薬学部, 教授 (00457590) ; 梅澤 啓太郎 地方独立行政法人東京都健康長寿医療センター(東京都健康長寿医療センター研究所), 東京都健康長寿医療センター研究所, 研究員 (30505764)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥85,670,000 (Direct Cost: ¥65,900,000、Indirect Cost: ¥19,770,000); Fiscal Year 2025: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000); Fiscal Year 2024: ¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000); Fiscal Year 2023: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000); Fiscal Year 2022: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000); Fiscal Year 2021: ¥29,120,000 (Direct Cost: ¥22,400,000、Indirect Cost: ¥6,720,000)
• Keywords: 超硫黄分子 / 翻訳後修飾 / ポリスルフィド / 蛍光プローブ / プロテオミクス

Outline of Research at the Start

硫黄原子が複数連なった構造を持つ分子・官能基を超硫黄という新しいカテゴリーで捉えなおし、細胞など多成分が混在する夾雑系での超硫黄化学を追求して、超硫黄in-cellケミストリーを確立することを目指す。参画研究者が有する質量分析・オミクス解析等の技術および蛍光・質量分析マルチタグ試薬等の独自新技術を融合・駆使して細胞内超硫黄分子の反応性を解析し、古典的硫黄化学と対比しつつ細胞内超硫黄分子の化学を明らかにする。さらに超硫黄オミクスを含む多様な解析技術に研究展開する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、細胞系(細胞内及び細胞表面・細胞間質)における超硫黄分子・超硫黄修飾の化学的性質、すなわち存在様態と反応性を明らかにし、超硫黄in-cellケ ミストリーを確立することを目指す。
今年度は、前年度までの独自の知見に基づいて引き続きシステインパースルフィドに反応選択性が高いタグ化試薬を設計合成し性能を比較した。その結果、キサンテン環上の置換基効果として嵩高くかつ電子求引性の置換基が、グルタチオンに比較してパースルフィド選択性を発揮することを見出した。
本年度も引き続き、細胞外成分に着目し、超硫黄修飾タンパク質の存在やそれらの病態時での変動を明らかにすべく、全酸化型超硫黄分子を定量可能なEMSP法や全還元型超硫黄分子のDTT-MB法を用いた解析を行った。ヒト毛髪における超硫黄化を検討したところ、角質層をテープストリップ法にて採取した後、可溶化したサンプルを各種方法にて検討超硫黄量を評価したところ、紫外線暴露により毛髪に含まれる超硫黄分子が減少し毛髪強度の低下が見られた。また超硫黄分子を供給することによって毛髪強度が回復した。
本年度も引き続きタンパク質解析を指向したタグ化試薬の機能化および、タグ化試薬の適応性・反応性の評価を実施した。前年度に開発したアルキニル基導入型タグ化試薬群について、超硫黄修飾タンパク質に適用したところ、超硫黄化修飾部位への反応性を損なうことなく標識することに成功し、ビオチン化を経てアフィニティ精製および濃縮することで、質量分析による検体中の超硫黄化タンパク質の検出に成功した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

開発したタグ化試薬について、パースルフィドモデル化合物のラベル化の選択性がプローブの立体効果および電子効果により制御できる可能性を見出し、より選択性の高いタグ化試薬の開発へと結びついた。また、酸化ストレス刺激として紫外線を用いて血清アルブミンの超硫黄分子の反応性を評価することで、酸化ストレス下で酸化型超硫黄分子が減少し機能低下が見られ、超硫黄分子供給で回復することを見出した。さらに、新規タグ化試薬を用いた質量分析によって還元型超硫黄分子の濃縮・解析を実現した。
これらの開発・発見により当初の目的に向けて着実に知見が得られているから。

Strategy for Future Research Activity

本年度開発したパースルフィド反応性プローブの知見に基づいて、パースルフィド反応点の立体障害および脱離能をさらに変化させた誘導体を設計合成し、反応性の差を検討する。これによりタンパク質中のシステイン残基との選択性をさらに向上させることが可能と考えられる。これまでに行った体液や毛髪、皮膚における超硫黄分子の解析（EMSP法やDTT-MB法を基軸とした解析）、さらにタンパク質パースルフィド化の特異的検出蛍光プローブ等を用いた検証実験を進め、超硫黄分子の存在量や存在様式の全体像の把握を進める。今後、具体的な超硫黄分子化タンパ ク質の同定やその反応性を質量分析によっても網羅的に明らかにしていく予定である。 また、今年度開発したタグ化試薬及び標識技術の階層的超硫黄プロテオーム解析への応用展開実験を予定している。具体的には、これまでに開発した反応性の異なる複数のタグ化試薬を用いた階層的解析手法の確立を通じて、超硫黄プロテオーム解析の深化や階層化を目指すとともに、EMSP法やDTT-MB法をはじめとする 複数の分析手法との複合による多様な超硫黄情報の取得を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Substituent Effects at the <i>N</i>-Nitrosoaminophenol Moiety of a Photoinduced-Electron-Transfer-Driven Nitric Oxide Releaser (2023)
  • Author(s): Ieda Naoya、Kawaguchi Mitsuyasu、Nakagawa Hidehiko
  • Journal Title: Chemical and Pharmaceutical Bulletin Volume: 71 Issue: 6 Pages: 447-450
  • DOI: 10.1248/cpb.c23-00146
  • ISSN: 0009-2363, 1347-5223
  • Year and Date: 2023-06-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photoinduced NO-release from polymer dots doped with an Ir(<scp>iii</scp>) complex and <i>N</i>-methyl-<i>N</i>-nitroso-4-aminophenol (2023)
  • Author(s): Saitoh Daisuke、Suzuki Ayumi、Ieda Naoya、Liu Zuoyue、Osakada Yasuko、Fujitsuka Mamoru、Kawaguchi Mitsuyasu、Nakagawa Hidehiko
  • Journal Title: Organic &amp; Biomolecular Chemistry Volume: 21 Issue: 14 Pages: 2983-2989
  • DOI: 10.1039/d3ob00047h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An Optochemical Oxygen Scavenger Enabling Spatiotemporal Control of Hypoxia (2023)
  • Author(s): Ieda Naoya、Sawada Masato、Oguchi Runa、Itoh Masato、Hirakata Seina、Saitoh Daisuke、Nakao Akito、Kawaguchi Mitsuyasu、Sawamoto Kazunobu、Yoshihara Toshitada、Mori Yasuo、Nakagawa Hidehiko
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 62 Issue: 20
  • DOI: 10.1002/anie.202217585
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ascorbate-assisted nitric oxide release from photocontrollable nitrosonium ion releasers for potent <i>ex vivo</i> photovasodilation (2022)
  • Author(s): Ieda Naoya、Yoshikawa Yuka、Tomita Natsumi、Ohkubo Kei、Hotta Yuji、Kawaguchi Mitsuyasu、Kimura Kazunori、Nakagawa Hidehiko
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 58 Issue: 60 Pages: 8420-8423
  • DOI: 10.1039/d2cc03193k
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Hydropersulfideの細胞内検出用蛍光プローブの開発 (2023)
  • Author(s): 平尾景尚、山口遥己、若森久幸、川口充康、家田直弥、中川秀彦
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会第17会年会
• [Presentation] 高効率な可視光応答性NOドナーの開発とその応用 (2022)
  • Author(s): 齋藤大介、家田直弥、堀田祐志、川口充康、木村和哲、中川秀彦
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会第16回年会
• [Presentation] 光レドックス反応をトリガーにした可視光応答ケージド基の合成と光分解性の評価 (2022)
  • Author(s): 家田直弥、中村旭良、舘実優、川口充康、中川秀彦
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会第16回年会
• [Presentation] テルロローダミンをアンテナとする光制御NOドナーの開発と血管弛緩制御への応用 (2022)
  • Author(s): 齋藤大介、家田直弥、大山享也、堀田祐志、川口充康、木村和哲、中川秀彦
  • Organizer: 光化学討論会
• [Presentation] Development and application of a visible-light-responsive NO releaser containing tellurorhodamine as an antenna (2022)
  • Author(s): Daisuke Saitoh, Naoya Ieda, Kyoya Oyama, Yuji Hotta, Mitsuyasu Kawaguchi, Kazunori Kimura, Hidehiko Nakagawa
  • Organizer: The 12th International Conference on the Biology, Chemistry, and Therapeutic Applications of Nitric Oxide
• [Presentation] Spatiotemporal control of NO release with caged NOs and their biological applications (2022)
  • Author(s): Hidehiko Nakagawa, Naoya Ieda
  • Organizer: The 12th International Conference on the Biology, Chemistry, and Therapeutic Applications of Nitric Oxide
  • Int'l Joint Research / Invited