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 / ラジカルスカンベンジ作用 / セレノプロテインP

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

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4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、超硫黄化タンパク質を検出する新たな方法の開発により、トランスフェリンやチロシンフォスファターゼなどの超硫黄化を検出する事に成功した。さらに、超硫黄分子が強いラジカル消去作用を有することを見いだし、セレンや脂質酸化が関わるフェロトーシス細胞死の抑制効果を持つ事を明らかにした（課題2・3とも関連）。生体内における抗酸化システムとして、セレン・SePと超硫黄分子が協調的に働く反面、抗酸化システムが強くなりすぎないフィードバックシステムとしてセレン・SeP系が働く可能性が考えられた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

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なく、オリジナルの実験系構築にも成功し、新たな関連分子の同定など、実際ワークすることが確認できた。システインプロテアーゼ以外にもトランスフェリンを含む複数の分子についても超硫黄化が観察され、今後超硫黄化レベルの変化により活性が変動するかなど明らかにしていく予定である。また、新たに超硫黄分子が非常に優れたラジカルスカンベンジ作用を持つ事が明らかとなり、セレン・SePと協調的に抗酸化システムを構築していることが明らかとなるなど、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、領域の研究発展に貢献したい。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度までの研究実績に基づき、超硫黄化が検出された分子の機能変化や各種生命現象における超硫黄化の関与および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タンパク質の還元反応も含め、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、トランスフェリンでは、硫黄何原子により活性が変化するか、また受容体との親和性など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とインスリンシグナルにおける役割について明らかにする。さらに、超硫黄分子の抗酸化作用について、ラジカル消去作用に着目し、その関与が認められるフェロトーシス細胞死における役割を明らかにする。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、これまでに同定されている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)
• [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] Circulating selenoprotein P levels predict glucose-lowering and insulinotropic effects of metformin, but not alogliptin: A post-hoc analysis. (2023)
  • Author(s): Takeshita Y, Tanaka T, Takayama H, Kita Y, Goto H, Nakano Y, Saito Y, Takamura T.
  • Journal Title: J Diabetes Investig. Volume: 14 Issue: 2 Pages: 230-235
  • DOI: 10.1111/jdi.13949
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A non-nucleotide agonist that binds covalently to cysteine residues of STING (2023)
  • Author(s): Matsumoto Kentaro、Ni Shenwei、Arai Hiroyuki、Toyama Takashi、Saito Yoshiro、Suzuki Takehiro、Dohmae Naoshi、Mukai Kojiro、Taguchi Tomohiko
  • Journal Title: Cell Structure and Function Volume: 48 Issue: 1 Pages: 59-70
  • DOI: 10.1247/csf.22085
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Grinstein, S., Freeman, S. A. Lipid peroxidation increases membrane tension, Piezo1 gating, and cation permeability to execute ferroptosis (2023)
  • Author(s): Hirata Y, Cai R, Volchuk A, Steinberg BE, Saito Y, Matsuzawa A, Grinstein S, Freeman SA
  • Journal Title: Curr Biol Volume: 33 Issue: 7 Pages: 1282-1294
  • DOI: 10.1016/j.cub.2023.02.060
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of the Interplay between Selenocystine and Methylmercury on Their Cytotoxicity and Glucose-Driven Insulin Secretion from Mouse Insulinoma Cells (2022)
  • Author(s): Chida Daichi、Toyama Takashi、Chiba Takanori、Kaneko Takayuki、Arisawa Kotoko、Saito Yoshiro
  • Journal Title: BPB Reports Volume: 5 Issue: 4 Pages: 74-79
  • DOI: 10.1248/bpbreports.5.4_74
  • ISSN: 2434-432X
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Redox-sensitive DJ-1 protein: an insight into physiological roles, secretion, and therapeutic target (2022)
  • Author(s): Dash Biplab Kumar、Urano Yasuomi、Saito Yoshiro、Noguchi Noriko
  • Journal Title: Redox Experimental Medicine Volume: 2022 Issue: 1 Pages: R96-R115
  • DOI: 10.1530/rem-22-0007
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Selenoprotein P Concentrations in the Cerebrospinal Fluid and Serum of Individuals Affected by Amyotrophic Lateral Sclerosis, Mild Cognitive Impairment and Alzheimer’s Dementia (2022)
  • Author(s): Urbano Teresa、Vinceti Marco、Mandrioli Jessica、Chiari Annalisa、Filippini Tommaso、Bedin Roberta、Tondelli Manuela、Simonini Cecilia、Zamboni Giovanna、Shimizu Misaki、Saito Yoshiro
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 23 Issue: 17 Pages: 9865-9865
  • DOI: 10.3390/ijms23179865
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] セレンと環境ストレスー生体防御におけるセレノプロテインの役割 (2022)
  • Author(s): 斎藤芳郎
  • Journal Title: Medical Science Digest Volume: 49 Pages: 681-685
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Antioxidant action of persulfides and polysulfides against free radical-mediated lipid peroxidation (2022)
  • Author(s): Kaneko Takayuki、Mita Yuichiro、Nozawa-Kumada Kanako、Yazaki Masana、Arisawa Mieko、Niki Etsuo、Noguchi Noriko、Saito Yoshiro
  • Journal Title: Free Radical Research Volume: 56 Issue: 9-10 Pages: 677-690
  • DOI: 10.1080/10715762.2023.2165918
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Significance of selenium/selenoprotein on biological defense against diverse environmental stress (2023)
  • Author(s): Yoshiro Saito
  • Organizer: 3rd STINT-JSPS Redox Biology Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Application of ICP-MS for Selenium Biology (2023)
  • Author(s): Yoshiro Saito
  • Organizer: 6th KBMSS international symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Selenoprotein P as a significant regulator of redox and energy metabolism: the involvement of selenium metabolism (2022)
  • Author(s): Yoshiro Saito
  • Organizer: The International Conference of Trace Elements and Minerals 2022 (ICTEM)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Methylmercury-induced modification of selenocysteine in selenoprotein P- Implication to its physiological function (2022)
  • Author(s): Yoshiro Saito
  • Organizer: the XVIth International Congress of Toxicology（ICT2022）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Selenium biology and diseases; Application to the pandemic counterplan (2022)
  • Author(s): Yoshiro Saito
  • Organizer: STINT-JSPS Joint Symposium(Redox Week in Sendai 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Selenoprotein P as a critical regulator of selenium metabolism- implication to iron metabolism (2022)
  • Author(s): Yoshiro Saito
  • Organizer: Tohoku Forum for Creativity Thematic Program 2022(Redox Week in Sendai 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Selenium biology and redox reactions: Application to lifestyle-related diseases and pandemic (2022)
  • Author(s): Yoshiro Saito
  • Organizer: 10th Biennial Meet- ing of the Society for Free Radical Research-Asia (SFRR-Asia)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The Interaction between Selenium-Containing Protein and Metals; Implication to Physiology and Toxicology (2022)
  • Author(s): Yoshiro Saito
  • Organizer: 10th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [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] 2023年1月27日 プレスリリース「超硫黄分子種による抗酸化作用を発見」
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2023/01/press2023012701-sulfur.html
• [Remarks] 東北大学大学院薬学研究科 代謝制御薬学分野（研究室HP）
  • URL: http://www.pharm.tohoku.ac.jp/~taisya/index.html
• [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