Regulation of signal transduction via crosstalk between supersulfide and selenium

• Project Area: Life Science Innovation Driven by Supersulfide Biology
• Project/Area Number: 21H05270
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 斎藤 芳郎 東北大学, 薬学研究科, 教授 (70357060)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山本 雅之 東北大学, 東北メディカル・メガバンク機構, 教授 (50166823)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥81,120,000 (Direct Cost: ¥62,400,000、Indirect Cost: ¥18,720,000); Fiscal Year 2025: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000); Fiscal Year 2024: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000); Fiscal Year 2023: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000); Fiscal Year 2022: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000); Fiscal Year 2021: ¥20,410,000 (Direct Cost: ¥15,700,000、Indirect Cost: ¥4,710,000)
• Keywords: セレノプロテイン / NRF2 / シグナル伝達 / 抗酸化システム / 還元ストレス / セレノプロテインP / セレン / システインプロテアーゼ / リソソーム / 酸性化 / レドックス / KEAP1

Outline of Research at the Start

必須微量元素セレンは、硫黄と同じ周期表第16属元素であるが、電子軌道が大きく、超硫黄分子と同等の高い反応性を示す。最近、我々の研究から超硫黄分子とセレンの直接的な相互作用が明らかとなってきた。本研究では、超硫黄分子に対するセレノプロテインの反応性を解析し、セレノプロテインによる超硫黄分子の還元・制御機構および細胞内シグナル伝達に対する作用機序を明らかにする。さらに、セレン・硫黄代謝を制御する転写因子NRF2のタンパク質分解制御におけるKEAP1の作用メカニズムを解明する。以上、セレン－超硫黄分子－NRF2の生理/病理的意義を統合的に理解し、細胞内シグナル伝達機構の解明に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

これまで、申請者の研究から血漿中のセレン含有タンパク質セレノプロテインＰ（SeP）が、タンパク質に結合した超硫黄分子を還元し、除去する活性があることを見いだした。本研究課題では、超硫黄分子に対するSePの反応性を解析し、SePによる超硫黄分子の還元・制御機構および細胞内シグナル伝達に対する作用機序を明らかにする。過剰SePが関与する疾病（糖尿病や血管病変、がんなど）と超硫黄分子との関連性を明らかにし、疾病に関わるシグナル伝達（インスリン刺激・細胞増殖など）の制御機構を解明する。さらに、セレン・硫黄代謝を制御する転写因子NRF2のタンパク質分解制御におけるKEAP1の作用メカニズムを解明する。すなわち、KEAP1のシステイン側鎖の超硫黄化状態を解析し、KEAP1の反応性を規定する要因として超硫黄分子および上記シグナル伝達における役割を明らかにする。
令和3年度は、超硫黄分子に対するSePの反応性・還元作用（課題1）、過剰SePが関わる疾病における超硫黄分子の関与（課題2）、およびKEAP1のストレス感知における超硫黄分子の役割（課題3）について検討した。課題1については、超硫黄化により失活したシステインプロテアーゼを作成し、SePによる還元によりその活性が回復することを見いだした。また、超硫黄化されたタンパク質を酸性条件下でアルキル化し、アビジンビオチン結合を用いて当該タンパク質を分離同定する新たな手法も開発した。課題2では、SePが存在するリソソームに着目し、リソソーム内における超硫黄の生成とシステインプロテアーゼ阻害作用、およびSePの添加効果について解析する実験系を構築した。実際、過剰な超硫黄によって低下するリソソーム酸性化に対してSePは回復させる作用を持つ事を見いだした。課題3として、超硫黄化されうるKEAP1のシステイン残基が明らかとなってきた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度の取り組みであったが、順調に超硫黄関連の実験系構築が進み、蛍光プローブなどの汎用される実験系構築だけで無く、オリジナルの実験系構築にも成功した。システインプロテアーゼについても超硫黄化による活性の変動、SePによる回復が観察され、培養細胞系でも同現象が再現できる系が構築できた。また、KEAP1の超硫黄化されるシステイン残基も同定されたことなどから、総合的に当初の計画以上に進展していると判断された。次年度もこの取り組みを続け、領域の研究発展にも貢献したい。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度に確立した実験系を活用し、各種生命現象における超硫黄の関与およびSePによる還元作用を明らかにする。超硫黄分子に対するSePの反応性・還元作用（課題1）では、超硫黄を還元するアッセイ系をさらに詳細に検討し、ラマン光解析やLC-MS解析も組み合わせて、還元反応の分子機構を明らかにする。また、これまで明らかになっている超硫黄化アルブミンの還元反応も含め、硫黄を何原子外すかなど、困難な課題についても挑戦する。特に、システインプロテアーゼでは、硫黄何原子により失活するか、また何個外すと活性が回復するかとった視点についても検討する。過剰SePが関わる疾病における超硫黄分子の関与（課題2）における検討では、細胞レベルでの還元反応に酸性条件における超硫黄の安定化を活用し、リソソーム内における超硫黄化と酸性化・分解に関わる因子の活性変動について明らかにする。超硫黄の酸性が知られる黄色ブドウ球菌感染モデルなどを活用し、超硫黄化にともなう酸性化の低下やSePによる還元にともなう回復作用についても明らかにする。KEAP1のストレス感知における超硫黄分子の役割（課題3）では、前年度同定したシステイン残基に着目し、各種変異体を用いた解析を進め、その超硫黄化の生体防御における重要性について明らかにする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Copenhagen(デンマーク)
• [Int'l Joint Research] University of Modena and Reggio Emilia(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Heinrich-Heine-University(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] National Institute of Oncology(ハンガリー)
• [Journal Article] Selenoprotein P-mediated reductive stress impairs cold-induced thermogenesis in brown fat (2022)
  • Author(s): Oo Swe Mar、Oo Hein Ko、Takayama Hiroaki、Ishii Kiyo-aki、Takeshita Yumie、Goto Hisanori、Nakano Yujiro、Kohno Susumu、Takahashi Chiaki、Nakamura Hiroyuki、Saito Yoshiro、Matsushita Mami、Okamatsu-Ogura Yuko、Saito Masayuki、Takamura Toshinari
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 38 Issue: 13 Pages: 110566-110566
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.110566
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nephronectin influences EAE development by regulating the Th17/Treg balance via reactive oxygen species (2022)
  • Author(s): Honda M, Segawa T, Ishikawa K, Maeda M, Saito Y, Kon S.
  • Journal Title: Am J Physiol Cell Physiol . Volume: 322(4) Issue: 4 Pages: C699-C711
  • DOI: 10.1152/ajpcell.00376.2021
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Safety of selenium exposure and limitations of selenoprotein maximization: Molecular and epidemiologic perspectives (2022)
  • Author(s): Vinceti Marco、Filippini Tommaso、Jablonska Ewa、Saito Yoshiro、Wise Lauren A.
  • Journal Title: Environmental Research Volume: 211 Pages: 113092-113092
  • DOI: 10.1016/j.envres.2022.113092
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Role of selenoprotein P expression in the function of pancreatic β cells: Prevention of ferroptosis-like cell death and stress-induced nascent granule degradation (2022)
  • Author(s): Kitabayashi Nanako、Nakao Shohei、Mita Yuichiro、Arisawa Kotoko、Hoshi Takayuki、Toyama Takashi、Ishii Kiyo-aki、Takamura Toshinari、Noguchi Noriko、Saito Yoshiro
  • Journal Title: Free Radical Biology and Medicine Volume: 183 Pages: 89-103
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2022.03.009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Selenium Transport Mechanism via Selenoprotein P?Its Physiological Role and Related Diseases (2021)
  • Author(s): Saito Yoshiro
  • Journal Title: Frontiers in Nutrition Volume: 8 Pages: 685517-685517
  • DOI: 10.3389/fnut.2021.685517
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of a novel endogenous long non-coding RNA that inhibits selenoprotein P translation (2021)
  • Author(s): Mita Yuichiro、Uchida Risa、Yasuhara Sayuri、Kishi Kohei、Hoshi Takayuki、Matsuo Yoshitaka、Yokooji Tadashi、Shirakawa Yoshino、Toyama Takashi、Urano Yasuomi、Inada Toshifumi、Noguchi Noriko、Saito Yoshiro
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 49 Issue: 12 Pages: 6893-6907
  • DOI: 10.1093/nar/gkab498
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 必須微量元素セレンと超硫黄分子による生体防御とレドックス―カルコゲンによるシグナルネットワーク (2022)
  • Author(s): 斎藤芳郎
  • Organizer: 第2回 レドックスR&D戦略委員会
  • Invited
• [Presentation] セレノプロテインＰの抗酸化機能と疾患－その発現と細胞内抗酸化システムの変化 (2021)
  • Author(s): 斎藤芳郎
  • Organizer: 第74回日本酸化ストレス学会/第21回日本NO学会 合同学術集会
  • Invited
• [Presentation] セレノプロテインと抗加齢医学－糖尿病とレドックス制御 (2021)
  • Author(s): 斎藤芳郎
  • Organizer: 第21回日本抗加齢医学会
  • Invited
• [Presentation] 膵β細胞のインスリン分泌におけるセレノプロテインの機能ーリソソーム活性の制御 (2021)
  • Author(s): 斎藤芳郎
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 必須微量元素セレンを含むアミノ酸の代謝と疾患-新たな輸送経路と生体内レドックス制御 (2021)
  • Author(s): 斎藤芳郎
  • Organizer: 第11回 新アミノ酸分析研究会
  • Invited
• [Book] セレンによる超硫黄分子ターンオーバー (2021)
  • Author(s): 外山喬士、斎藤芳郎
  • Total Pages: 6
  • Publisher: 生化学
• [Remarks] 2021年6月18日 プレスリリース「糖尿病を予防する新規RNAを発見」
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2021/06/press20210618-00-rna.html
• [Remarks] 2022年3月4日 第2回レドックスR&D戦略委員会 春のシンポジウム主催
  • URL: http://www.med.hirosaki-u.ac.jp/~admed/redox/symposium2022.html
• [Remarks] 2022年3月23日 プレスリリース「インスリン分泌に必要なセレンの働きを解明 」
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2022/03/press20220323-04-sep.html
• [Remarks] 東北大学大学院薬学研究科 代謝制御薬学分野
  • URL: http://www.pharm.tohoku.ac.jp/~taisya/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] グリオブラストーマの治療薬のスクリーニング方法、治療薬、予後判定方法 (2021)
  • Inventor(s): 斎藤芳郎、外山喬士、杉浦ひかり
  • Industrial Property Rights Holder: 斎藤芳郎、外山喬士、杉浦ひかり
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] COVID-19治療剤 (2021)
  • Inventor(s): 斎藤芳郎、外山喬士ら
  • Industrial Property Rights Holder: 斎藤芳郎、外山喬士ら
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021
  • Overseas