タンパク質のスルフォン酸化超硫黄による翻訳後修飾模倣とシグナル伝達

• Project Area: Life Science Innovation Driven by Supersulfide Biology
• Project/Area Number: 21H05272
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Kyoto University (2022-2024); Osaka University (2021)
• Principal Investigator: 三木 裕明 京都大学, 工学研究科, 教授 (80302602)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥72,410,000 (Direct Cost: ¥55,700,000、Indirect Cost: ¥16,710,000); Fiscal Year 2024: ¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000); Fiscal Year 2023: ¥12,870,000 (Direct Cost: ¥9,900,000、Indirect Cost: ¥2,970,000); Fiscal Year 2022: ¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000); Fiscal Year 2021: ¥19,370,000 (Direct Cost: ¥14,900,000、Indirect Cost: ¥4,470,000)
• Keywords: シグナル伝達

Outline of Research at the Start

本研究ではがん悪性化に重要なPRLなどタンパク質のシステイン側鎖に生じる超硫黄酸化物の状態を質量分析装置などを利用して調べ、その活性酸素による生成やチオレドキシンファミリーによる分解などの仕組みを明らかにする。またシステインの超硫黄酸化によるタンパク質分子のダイナミックな機能調節が細胞機能を制御するシグナル伝達の中で働く仕組みを調べ、細胞のがん化など高次レベルでの生命機能における重要性を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、タンパク質のシステインのチオール側鎖に生じる超硫黄体の酸化物が翻訳後修飾を構造的に模倣することで、タンパク質分子の動的な機能調節に関わる分子メカニズムを明らかにするための解析に取り組んでいる。２０２３年度は、メジャーな活性酸素種として知られる過酸化水素を分解する酵素peroxiredoxin（PRX）の超硫黄化とオリゴマー形成に関する解析や、これまで私たちが長らく機能解析してきたレドックス応答分子phosphatase of regenerating liver（PRL）の活性システイン置換マウスの解析を進めた。超硫黄ドナーのNa2S4刺激応答性に巨大なオリゴマーを形成するPRX-1は抗がん剤耐性に関わることが知られているので、シスプラチンによる細胞死に対するNa2S4の効果を検討した。その結果、Na2S4は強力にシスプラチン誘導性の細胞死を阻害できることを見つけた。また超硫黄ドナー刺激と関係なく恒常的にオリゴマーを形成するPRX-4はシグナルペプチドを持ち、小胞体内腔に局在することが知られる。そこでこのシグナルペプチドを除去した変異型PRX-4を作成して解析したところ、通常状態ではオリゴマーを形成せず、Na2S4処理でオリゴマーを作ることが分かった。小胞体内腔の環境によってオリゴマー形成が起こることを示す興味深い結果と考えられる。PRLの活性システイン置換マウスに関しては、ホモ個体が得られている。出生数はメンデル率よりもやや少なかったが、解析するのに十分な数で出生し、野生型マウスと比較して顕著な見かけ上の以上は認められなかった。主要な臓器のタンパク質抽出物を用いて内在性のPRLタンパク質の解析を行ったところ、多くの臓器でシステイン置換型PRLの発現レベルが低下しており、活性型（非リン酸化型）PRLのレベルが野生型と同レベルになっていた。一方で一部の臓器ではそのような発現量変化は認められなかった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

２０２３年度は前年度に引き続き、活性システインを持つタンパク質の超硫黄化や過酸化の生物学的意義を明らかにすることを目的として本研究に取り組んだ。PRLやPRXを解析対象として計画していたさまざまな実験を実施することで、いくつかの今後の研究の進展につながる興味深い成果を得ることができた。特に、広く利用されている抗がん剤のシスプラチンによる細胞死がNa2S4を培地に添加することで回避できたことは、超硫黄状態の変化が細胞のストレス応答に重要な役割を果たしていることを示唆しており、その応用的な側面から考えても非常に重要な意味を持つ発見と評価できる。また、PRX-4の恒常的なオリゴマー形成が小胞体の内腔への局在に依存していることは、小胞体内腔の微小環境が特殊な超硫黄状態にある可能性を示唆している。小胞体内腔がレドックス的に酸化的な環境にあることは古くから知られているが、超硫黄状態やその酸化状態との関連について検討してゆく価値が高いと考えられる。これらのことから、今後の研究の進展に寄与する十分な成果が得られており、本研究はおおむね順調に進展していると評価できる。

Strategy for Future Research Activity

２０２３年度の重要な研究成果の一つとして、抗がん剤シスプラチンによって引き起こされる細胞死を超硫黄ドナーのNa2S4によって強力に阻害できることを見つけた。シスプラチンはDNAに結合する抗がん剤として有名であるが、活性酸素の産生やタンパク質の凝集などさまざまな効果を持つことが知られており、細胞死に至るメカニズムも明確には分かっていない。超硫黄ドナーNa2S4がどのようにして細胞死を阻害しているのか、その分子機構を明確にすること、またNa2S4刺激によってオリゴマー化したPRX-1がどのように作用するのかについて追究することが今後の重要な課題の一つと考えられる。PRX-1は過酸化水素の除去だけでなく、シャペロンとして作用することも知られており、Na2S4によるその状態や機能がどのように変化しているのかを追究してゆく。また、PRX-4は膵臓がん細胞の増殖に重要であることが報告されている。私たちの見つけたPRX-4の恒常的なオリゴマー形成ががん細胞の増殖に重要であるのか、各種変異体型のPRX-4を用いて解析を進めてゆくことを考えている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Fudan University(中国)
• [Int'l Joint Research] Fudan University(中国)
• [Journal Article] Intestinal Mg2+ accumulation induced by cnnm mutations decreases the body size by suppressing TORC2 signaling in Caenorhabditis elegans (2024)
  • Author(s): Hashizume Osamu、Kawabe Tomofumi、Funato Yosuke、Miki Hiroaki
  • Journal Title: Developmental Biology Volume: 509 Pages: 59-69
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2024.02.007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] PRL stimulates mitotic errors by suppressing kinetochore-localized activation of AMPK during mitosis (2022)
  • Author(s): Ryu Kajung、Yoshida Atsushi、Funato Yosuke、Yamazaki Daisuke、Miki Hiroaki
  • Journal Title: Cell Structure and Function Volume: 47 Issue: 2 Pages: 75-87
  • DOI: 10.1247/csf.22034
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phosphatase‐independent role of phosphatase of regenerating liver in cancer progression (2022)
  • Author(s): Funato Yosuke、Hashizume Osamu、Miki Hiroaki
  • Journal Title: Cancer Science Volume: 114 Issue: 1 Pages: 25-33
  • DOI: 10.1111/cas.15625
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A novel role for PRL in regulating epithelial cell density by inducing apoptosis at confluence (2022)
  • Author(s): Lohani Sweksha、Funato Yosuke、Akieda Yuki、Mizutani Kiyohito、Takai Yoshimi、Ishitani Tohru、Miki Hiroaki
  • Journal Title: Journal of Cell Science Volume: 135 Issue: 2 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1242/jcs.258550
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The emerging roles and therapeutic potential of cyclin M/CorC family of Mg2+ transporters (2022)
  • Author(s): Funato Yosuke、Miki Hiroaki
  • Journal Title: Journal of Pharmacological Sciences Volume: 148 Issue: 1 Pages: 14-18
  • DOI: 10.1016/j.jphs.2021.09.004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gut bacteria identified in colorectal cancer patients promote tumourigenesis via butyrate secretion (2021)
  • Author(s): Okumura Shintaro、Konishi Yusuke、Narukawa Megumi、Sugiura Yuki、Yoshimoto Shin、Arai Yuriko、Sato Shintaro、Yoshida Yasuo、Tsuji Shunya、Uemura Ken、Wakita Masahiro、Matsudaira Tatsuyuki、Matsumoto Tomonori、Kawamoto Shimpei、Takahashi Akiko、Itatani Yoshiro、Miki Hiroaki ら
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 5674-5674
  • DOI: 10.1038/s41467-021-25965-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Importance of the renal ion channel TRPM6 in the circadian secretion of renin to raise blood pressure (2021)
  • Author(s): Funato Yosuke、Yamazaki Daisuke、Okuzaki Daisuke、Yamamoto Nobuhiko、Miki Hiroaki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 3683-3683
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24063-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification and mechanistic analysis of an inhibitor of the CorC Mg2+ transporter (2021)
  • Author(s): Huang Yichen、Mu Kaijie、Teng Xinyu、Zhao Yimeng、Funato Yosuke、Miki Hiroaki、Zhu Weiliang、Xu Zhijian、Hattori Motoyuki
  • Journal Title: iScience Volume: 24 Issue: 4 Pages: 102370-102370
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102370
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] マグネシウムイオントランスポーターCNNMのがん悪性化進展における役割 (2023)
  • Author(s): 三木 裕明, 船戸 洋佑, 橋爪 脩
  • Organizer: 第96回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] がん細胞の酸性環境適応におけるlysosomal exocytosisの重要性とその制御 (2023)
  • Author(s): 船戸 洋佑, 三木 裕明
  • Organizer: 第96回日本生化学会大会
• [Presentation] PRL発現極小化による細胞内Mg2+の減少はNF-κB経路活性化を介したアポトーシスを誘導する (2023)
  • Author(s): 河村 小雪, 船戸 洋佑, 三木 裕明
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] マグネシウム調節の分子病態生化学 (2023)
  • Author(s): 三木 裕明
  • Organizer: SBCセミナー
  • Invited
• [Presentation] 活性硫黄の化学修飾による発がん因子PRLの機能制御 (2022)
  • Author(s): 三木 裕明、船戸 洋佑
  • Organizer: 第９５回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] Regulation of oncogenic protein PRL by diverse chemical modifications of its active cysteine (2022)
  • Author(s): Hiroaki Miki, Yosuke Funato
  • Organizer: Redox Week in Sendai 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mg2+トランスポーターCNNMの生物学的重要性と治療標的としての可能性 (2022)
  • Author(s): 船戸洋佑、橋爪脩、山崎大輔、三木裕明
  • Organizer: 第95回日本薬理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Maintenance of magnesium homeostasis by CNNM and various diseases caused by its disruption (2022)
  • Author(s): Yosuke Funato, Osamu Hashizume, Daisuke Yamazaki, Hiroaki Miki
  • Organizer: 第99回日本生理学会大会
  • Invited
• [Presentation] 発がん因子PRLの活性中心システイン硫黄原子の化学修飾による機能制御 (2022)
  • Author(s): 三木 裕明、船戸 洋佑
  • Organizer: レドックスR&D戦略委員会 春のシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] A novel role of PRL in regulating epithelial cell density by inducing apoptosis at confluence (2021)
  • Author(s): Sweksha Lohani, 船戸 洋佑, 龝枝 佑紀, 石谷 太, 三木 裕明
  • Organizer: 生理研研究会『上皮膜輸送の多様性・調和機構を基盤とする異分野融合研究の創出』
• [Presentation] がん細胞の酸性環境適応機構「acid addiction」の分子メカニズム解析 (2021)
  • Author(s): 船戸洋佑、本田茉子、山崎大輔、三木裕明
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 大腸がん浸潤・転移に関与するがん細胞の探索 (2021)
  • Author(s): 山崎 大輔、三木 裕明
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] cnnm変異により線虫のボディサイズが縮小する仕組みの解析 (2021)
  • Author(s): 橋爪 脩、川邊 智史、船戸 洋佑、三木 裕明
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会