NADPH oxidase mediates supersulfide activation and regulates infection and inflammatory responses

• Project Area: Life Science Innovation Driven by Supersulfide Biology
• Project/Area Number: 21H05267
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 澤 智裕 熊本大学, 大学院生命科学研究部(医), 教授 (30284756)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 住本 英樹 九州大学, 先端医療オープンイノベーションセンター, 特任教授 (30179303)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥89,050,000 (Direct Cost: ¥68,500,000、Indirect Cost: ¥20,550,000); Fiscal Year 2025: ¥16,380,000 (Direct Cost: ¥12,600,000、Indirect Cost: ¥3,780,000); Fiscal Year 2024: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000); Fiscal Year 2023: ¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000); Fiscal Year 2022: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000); Fiscal Year 2021: ¥22,360,000 (Direct Cost: ¥17,200,000、Indirect Cost: ¥5,160,000)
• Keywords: 超硫黄分子 / NADPHオキシダーゼ / NO合成酵素 / 炎症 / 超硫黄 / カテネーション

Outline of Research at the Start

本課題では、これまで全く知られていなかったNADPHオキシダーゼ（Nox）およびNO合成酵素（NOS）ファミリーの新規超硫黄分子代謝機構の解明を目指す。具体的には、NoxとNOSがともにNADPH依存的に超硫黄分子を活性化する可能性を検討し、これらの酵素を、硫黄の酸化還元酵素という機能特性に基づき、NADPH:Sulfur Oxidoreductase (NSOR)として再定義する。さらに、活性酸素や一酸化窒素と超硫黄分子による抗菌・抗炎症制御のクロストークを明らかにして、NSOR活性に基づき抗菌・抗炎症を誘導するという新たな発想に立脚した超硫黄分子創薬を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

NADPHオキシダーゼ (Nox) はこれまで、Noxは酸素分子に電子を渡すことで、スーパーオキシド等を生成するとされてきた。しかし、最近、Noxファミリー因子であるNox2とNox4がそれぞれ、極めて効率よく超硫黄分子に電子を渡して、硫黄側鎖が伸長した高反応性の超硫黄分子を産生することを示した。さらに、一酸化窒素合成酵素NOSも同様の活性を有することを見出した。本課題では、NoxとNOSがともにNADPH依存的に超硫黄分子を活性化する可能性を検討し、これらの酵素を、硫黄の酸化還元酵素という機能特性に基づき、NADPH:Sulfur Oxidoreductase (NSOR)として再定義する。さらに、活性酸素や一酸化窒素と超硫黄分子による抗菌・抗炎症制御のクロストークを明らかにして、NSOR活性に基づき抗菌・抗炎症を誘導するという新たな発想に立脚した超硫黄分子創薬を目指す。本年度は、細胞内で超硫黄分子が活性化される場所、つまり細胞内のどこにNoxが局在化されるか、という点を解析した。Noxファミリー（ヒトではNox1からNox5およびDuox1とDuox2の7メンバー）は膜貫通型の酵素であるが、本研究により、上皮細胞ではそれぞれが異なる膜に局在することを示した。また本研究で、Nox1/2をapical膜に局在化させる分子機構について解析し、その局在化にはアダプタータンパク質GRAF3が必要であることを明らかにした。Trans-Golgi network （TGN）からrecycling endosomeを経てapical膜に輸送される過程にGRAF3が関与する（GRAF3のそのような役割は今まで全く知られていなかった）。さらにNoxタンパク質の安定化についても解析し、低酸素によってNox4の発現量が増加することを明らかにした。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

これまで明らかではなかったNoxの細胞内局在についてそれらを制御する機構を含めて明らかにすることができた。これは本研究の目的である超硫黄のリモデリングにも大きく関わる可能性があり、今後の研究の方向性にも大きく寄与すると考えられるため。

Strategy for Future Research Activity

本年度は、昨年度に調製が完了した肺炎球菌由来Noxについて機能解析をすすめる。現在まで予備的な検討で、得られた肺炎球菌由来NoxがNADPHを酸化すること、さらにこの反応にGSSSGを基質として用いることを確認している。今年度はさらに、この反応物における超硫黄メタボロミクスを行い、酵素反応の詳細を解析する。さらにその大腸菌の酸化ストレス抵抗性を解析する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Brown University/University of California(米国)
• [Journal Article] Acute Kidney Injury Caused by Rhabdomyolysis Is Ameliorated by Serum Albumin-Based Supersulfide Donors through Antioxidative Pathways (2024)
  • Author(s): Ikeda-Imafuku Mayumi、Fukuta Tatsuya、Tuan Giam Chuang Victor、Sawa Tomohiro、Maruyama Toru、Otagiri Masaki、Ishida Tatsuhiro、Ishima Yu
  • Journal Title: Pharmaceuticals Volume: 17 Issue: 1 Pages: 128-128
  • DOI: 10.3390/ph17010128
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thioglucose-derived tetrasulfide, a unique polysulfide model compound (2024)
  • Author(s): Lindahl Stephen、Shieh Meg、Zhang Tianli、Guo Chunyu、Robinson Jerome R.、Sawa Tomohiro、Xian Ming
  • Journal Title: Redox Biology Volume: 70 Pages: 103045-103045
  • DOI: 10.1016/j.redox.2024.103045
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Regulation of innate immune and inflammatory responses by supersulfides (2024)
  • Author(s): Tsutsuki Hiroyasu、Zhang Tianli、Akaike Takaaki、Sawa Tomohiro
  • Journal Title: International Immunology Volume: 36 Issue: 4 Pages: 143-154
  • DOI: 10.1093/intimm/dxad057
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Redox regulation of xenobiotics by reactive sulfur and supersulfide species (2024)
  • Author(s): Zhang Tianli、Akaike Takaaki、Sawa Tomohiro
  • Journal Title: Antioxidants Redox Signaling Volume: 40 Issue: 10-12 Pages: 679-690
  • DOI: 10.1089/ars.2022.0172
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hypoxia stabilizes the H2 O2 -producing oxidase Nox4 in cardiomyocytes via suppressing autophagy-related lysosomal degradation. (2024)
  • Author(s): Matsunaga S, Kohda A, Kamakura S, Hayase J, Miyano K, Shiose A, Sumimoto H.
  • Journal Title: Genes Cells Volume: 29 Issue: 1 Pages: 63-72
  • DOI: 10.1111/gtc.13085
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] TMEM25 is a Par3-binding protein that attenuates claudin assembly during tight junction development. (2024)
  • Author(s): Kamakura S, Hayase J, Kohda A, Iwakiri Y, Chishiki K, Izaki T, Sumimoto H.
  • Journal Title: EMBO Rep. Volume: 25 Issue: 1 Pages: 144-167
  • DOI: 10.1038/s44319-023-00018-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Altered Fhod3 Expression Involved in Progressive High-Frequency Hearing Loss via Dysregulation of Actin Polymerization Stoichiometry in The Cuticular Plate. (2024)
  • Author(s): Boussaty EC, Ninoyu Y, Andrade L, Li Q, Takeya R, Sumimoto H, Ohyama T, Wahlin KJ, Manor U, Friedman RA.
  • Journal Title: PLoS Genet. Volume: 20 Issue: 3 Pages: e1011211-e1011211
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1011211
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Alkyl gallates inhibit serine O-acetyltransferase in bacteria and enhance susceptibility of drug-resistant Gram-negative bacteria to antibiotics (2023)
  • Author(s): Toyomoto Touya、Ono Katsuhiko、Shiba Tomoo、Momitani Kenta、Zhang Tianli、Tsutsuki Hiroyasu、Ishikawa Takeshi、Hoso Kanae、Hamada Koma、Rahman Azizur、Wen Liping、Maeda Yosuke、Yamamoto Keiichi、Matsuoka Masao、Hanaoka Kenjiro、Niidome Takuro、Akaike Takaaki、Sawa Tomohiro
  • Journal Title: Frontiers in Microbiology Volume: 14 Pages: 1276447-1276447
  • DOI: 10.3389/fmicb.2023.1276447
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sulfur metabolic response in macrophage limits excessive inflammatory response by creating a negative feedback loop. (2023)
  • Author(s): Takeda H, Murakami S, Liu Z, Sawa T, Takahashi M, Izumi Y, Bamba T, Sato H, Akaike T, Sekine H, Motohashi H*.
  • Journal Title: Redox Biology Volume: 65 Pages: 102834-102834
  • DOI: 10.1016/j.redox.2023.102834
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Supersulphides provide airway protection in viral and chronic lung diseases (2023)
  • Author(s): Matsunaga Tetsuro、Sano Hirohito、Takita Katsuya、Morita Masanobu、Yamanaka Shun、Ichikawa Tomohiro、Numakura Tadahisa、Ida Tomoaki、Jung Minkyung、Ogata Seiryo、Yoon Sunghyeon、Fujino Naoya、Kyogoku Yorihiko、Akaike Takaaki、et al.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 4476-4476
  • DOI: 10.1038/s41467-023-40182-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Supersulfide biology and translational medicine for disease control (2023)
  • Author(s): Barayeu Uladzimir、Sawa Tomohiro、Nishida Motohiro、Wei Fan-Yan、Motohashi Hozumi、Akaike Takaaki
  • Journal Title: British Journal of Pharmacology Volume: - Pages: 1-11
  • DOI: 10.1111/bph.16271
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] GPR125 (ADGRA3) is an autocleavable adhesion GPCR that traffics with Dlg1 to the basolateral membrane and regulates epithelial apicobasal polarity. (2022)
  • Author(s): Sakurai T, Kamakura S, Hayase J, Kohda A, Nakamura M, Sumimoto H.
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 298 Issue: 10 Pages: 102475-102475
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102475
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 上皮細胞におけるNoxファミリーの局在制御の分子メカニズム (2023)
  • Author(s): 神田 朗，住本 英樹
  • Organizer: 第96回日本生化学会大会
• [Presentation] 細胞極性制御因子によるtight junction形成の制御機構 (2023)
  • Author(s): 鎌倉 幸子，住本 英樹
  • Organizer: 第96回日本生化学会大会
• [Presentation] 超硫黄分子による炎症応答制御 (2023)
  • Author(s): 澤 智裕
  • Organizer: 第76回日本酸化ストレス学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 超硫黄分子による炎症応答制御 (2023)
  • Author(s): 澤 智裕
  • Organizer: 第96回日本生化学会大会
• [Presentation] Protein S-sulfhydration based regulation of NLRP3 inflammasome (2022)
  • Author(s): Tianli Zhang, Hiroyasu Tsutsuki, Motohiro Nishida, Takaaki Akaike, Tomohiro Sawa
  • Organizer: Gordon Research Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Regulation of innate immune responses by supersulfides (2022)
  • Author(s): Tomohiro Sawa
  • Organizer: The 15th Korea-Japan International Symposium on Microbiology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Regulation of innate immune responses by reactive sulfur species (2022)
  • Author(s): Tomohiro Sawa
  • Organizer: The 12th International Conference on the Biology, Chemistry and Therapeutic Applications of Nitric Oxide
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Regulation of innate immune responses by reactive sulfur species (2022)
  • Author(s): Tomohiro Sawa
  • Organizer: 10th Biennial Conference of the Society for Free Radical Research Asia
  • Int'l Joint Research / Invited