Development of specific oxidative modification inhibitor for endoplasmic reticulum stress sensor

• Project/Area Number: 19K22498
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 47:Pharmaceutical sciences and related fields
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: Uehara Takashi 岡山大学, 医歯薬学総合研究科, 教授 (00261321)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2020: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 一酸化窒素 / 小胞体ストレス / UPR / ニトロシル化 / 酸化 / 小胞体ストレス応答 / 阻害薬 / IRE1 / 細胞死 / モデュレーター

Outline of Research at the Start

これまでに多数のNO標的タンパク質およびその修飾部位の同定に成功してきた．この情報を利用して，NO修飾システイン残基近傍に作用して，酸化のみを特異的に阻止する化合物の単離をin silicoスクリーニングから試みたところ，世界で初めての分子特異的酸化抑制化合物の単離に成功した（特許出願済）．そこで，本研究では，パーキンソン病発症に深く関わる小胞体ストレスセンサーIREαのS-ニトロシル化を特異的に抑制する新規シーズの単離を目指す．加えて，その抗パーキンソン病効果を細胞レベルとモデル動物を用いて検証し，薬理学的に分類のない新カテゴリー（酸化修飾部位阻止薬）に属するシーズの創製にチャレンジする．

Outline of Final Research Achievements

Nitric oxide (NO) regulates the enzymatic activity of IRE1α, a sensor molecule of UPR, through protein S-nitrosylation. Since NO resulted in apoptosis via inactivation of UPR, we consider a compound that specifically suppresses this oxidative modification without inhibiting endonuclease activity of IRE1α is effective. Certainly, there are many diseases dependent on UPR dysfunction such as Parkinson's disease or diabetes. Therefore, we attempted to isolate a specific oxidative modification inhibitor for the endoplasmic modification site. From in silico screening, we could isolate a candidate lead compound. In order to increase the pharmacological potency, two derivatives were also produced. We then confirmed their inhibitory effects that restored the blockage of the UPR pathway by NO in a concentration-dependent manner.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

パーキンソン病や糖尿病の発症には小胞体ストレスが介在していることが明らかとなっている．一方で，一酸化窒素はセンサータンパク質であるIRE1に結合することで，本来は抗細胞死に関わる経路を遮断することでより脆弱にさせることを証明してきた．そこで，この経路を回復させるような化合物の作出は病態発症を軽減する可能性があると考えた．スクリーニングから有力な候補化合物を単離することに成功した．これらは酵素活性を阻害することなく，NOによる修飾のみを抑制することがわかった．今後，動物モデルに適用してその効力を検討することで，新規作用メカニズムを有した治療薬開発に有益な情報をもたらすと推定される．

Research Products

• [Journal Article] Spatiotemporal analysis of the UPR transition induced by methylmercury in the mouse brain. (2021)
  • Author(s): Hiraoka, H., Nomura, R., Takasugi, N., Akai, R., Iwawaki, T., Kumagai, Y., Fujimura, M., and Uehara, T.
  • Journal Title: Arch. Toxicol. Volume: 95 Issue: 4 Pages: 1241-1250
  • DOI: 10.1007/s00204-021-02982-9
  • NAID: 120007185542
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Covalent N-arylation by the pollutant 1,2-naphthoquinone activates the EGF receptor (2021)
  • Author(s): Nakahara Kengo、Hamada Kyohei、Tsuchida Tomoki、Takasugi Nobumasa、Abiko Yumi、Shien Kazuhiko、Toyooka Shinichi、Kumagai Yoshito、Uehara Takashi
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 296 Pages: 100524-100524
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2021.100524
  • NAID: 120007116763
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] S-Nitrosylation at the active site decreases the ubiquitin-conjugating activity of ubiquitin-conjugating enzyme E2 D1 (UBE2D1), an ERAD-associated protein (2020)
  • Author(s): Fujikawa Kana、Nakahara Kengo、Takasugi Nobumasa、Nishiya Tadashi、Ito Akihiro、Uchida Koji、Uehara Takashi
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 524 Issue: 4 Pages: 910-915
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.02.011
  • NAID: 120006956819
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] MITOL prevemts ER stress-induced apoptosis by IRE1 ubiquitylation at mitochondrial-ER contact sites. (2019)
  • Author(s): Takeda, K., Nagashima, S., Shiiba, I., Uda, A., Tokuyama, T., Ito, N., Fukuda, T., Matsushita, N., Ishido, S., Iwawaki, T., Uehara, T., Inatome, R., and Yanagi, S.
  • Journal Title: EMBO J. Volume: 38 Issue: 15
  • DOI: 10.15252/embj.2018100999
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Emerging role of electrophiles as a key regulator for endoplasmic reticulum (ER) stress. (2019)
  • Author(s): Takasugi, N., Hiraoka, H., Nakahara, K., Akiyama, S., Fujikawa, K., Nomura, R., Furuichi, M., and Uehara, T.
  • Journal Title: Int. J. Mol. Sci. Volume: 20(7) Issue: 7 Pages: 1783-1783
  • DOI: 10.3390/ijms20071783
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 酸化修飾による新規エピゲノム調節機構 (2021)
  • Author(s): 上原 孝
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
  • Invited
• [Presentation] レドックスを介したDNAメチル化制御機構 (2020)
  • Author(s): 上原 孝
  • Organizer: 日本薬学会第140年会（招待講演）
  • Invited
• [Presentation] 環境化合物修飾によるエピゲノム調節機構 (2020)
  • Author(s): 上原 孝
  • Organizer: 第47回日本毒性学会学術年会
  • Invited
• [Presentation] 一酸化窒素によるDNA脱メチル化を介した遺伝子の誘導 (2020)
  • Author(s): 谷口理香子, 飯島悠太, 中原健吾, 高杉展正, 上原 孝
  • Organizer: 第61回日本生化学会 中国・四国支部例会
• [Presentation] 環境化学物質の生体内標的探索とその作用機構 (2020)
  • Author(s): 上原 孝
  • Organizer: フォーラム2020衛生薬学・環境トキシコロジー
  • Invited
• [Presentation] 一酸化窒素による新たな遺伝子発現調節機構 (2020)
  • Author(s): 上原 孝
  • Organizer: 第93回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] NOによる新規遺伝子発現調節機構：分子特異的酸化修飾抑制薬の開発を目指して (2020)
  • Author(s): 上原 孝
  • Organizer: 第73回日本酸化ストレス学会/第20回日本NO学会
  • Invited
• [Presentation] リバースケミカルジェネティクスから解く酸化ストレスによりエピゲノム調節機構 (2019)
  • Author(s): 上原 孝
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] Detection of novel S-nitrosylated proteins in neuronal cells. (2019)
  • Author(s): Takashi Uehara
  • Organizer: SfRBM2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レドックスを介したDNAメチル化制御機構 (2019)
  • Author(s): 上原 孝
  • Organizer: 日本薬学会第１４０年会
  • Invited
• [Book] 実験医学 (2020)
  • Author(s): 中原健吾，上原 孝
  • Total Pages: 5
  • Publisher: 羊土社