The molecular mechanism underlying STING signalling

• Project/Area Number: 20H03202
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43030:Functional biochemistry-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Kojiro Mukai 東北大学, 生命科学研究科, 助教 (90767633)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2020: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
• Keywords: 自然免疫シグナル / 細胞内物質輸送 / 小胞体 / ゴルジ体 / エンドソーム / リソソーム / 自然免疫 / オルガネラ

Outline of Research at the Start

自然免疫は異物を排除するための先天的に備わっているシグナル伝達経路であり、STING経路はDNAウイルス感染など細胞質DNAに応答する主要な自然免疫応答経路の１つである。申請者はこれまでに、小胞体膜タンパク質STINGの活性化に細胞内輸送が必須であることを見出し、その活性化の実体がゴルジ体で起きるSTINGのパルミトイル化であることを発見した。一方で、細胞内でSTINGの活性化を負に制御する機構に関しては未だに不明な点が多く残されている。本研究では、STINGが辿る各オルガネラ上において、STING経路が制御される分子機構を明らかにし、その機構の破綻に起因する疾患の新規治療法を提案することを目指す。

Outline of Final Research Achievements

The innate immune response is essential for efficient and rapid host defense against invading pathogens. The STING pathway is one of the major pathways of the innate immune response that responds to cytosolic microbial DNA from viruses or self-DNA from mitochondria/nuclei. In this study, we demonstrate the homeostatic regulation of STING at the resting state by the retrograde membrane traffic (Mukai et al., Nat Commun 2021). We also found that the STING signalling is terminated through ESCRT-dependent microautophagy of vesicles originating from recycling endosomes (Kuchitsu & Mukai et al., Nat Cell Biol 2023). These results suggest that the activity of STING is strictly regulated by membrane trafficking to prevent hyperactivation of innate immune signalling.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、定常状態において小胞体にSTINGを留める分子機構や、ゴルジ体で活性化した後のSTINGシグナルが収束する分子機構を明らかにし、それらの破綻が過剰な炎症応答に繋がることを見出した。これらの成果は、細胞内でのSTING経路の新規活性制御機構を明らかにしただけでなく、自己炎症性疾患の病態発症機序の解明やSTING特異的阻害剤の創薬研究にも貢献している。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of California, San Francisco(米国)
• [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] STING signalling is terminated through ESCRT-dependent microautophagy of vesicles originating from recycling endosomes. (2023)
  • Author(s): Kuchitsu Y, Mukai K, Uematsu R, Takaada Y, Shinojima A, Shindo R, Shoji T, Hamano S, Ogawa E, Sato R, Miyake K, Kato A, Kawaguchi Y, Nishitani-Isa M, Izawa K, Nishikomori R, Yasumi T, Suzuki T, Dohmae N, Uemura T, Barber GN, Arai H, Waguri S, Taguchi T.
  • Journal Title: Nature Cell Biology Volume: 25 Issue: 3 Pages: 453-466
  • DOI: 10.1038/s41556-023-01098-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Autoinflammatory and neurodegenerative diseases caused by constitutive activation of STING (2022)
  • Author(s): 朽津 芳彦、向井 康治朗、田口 友彦
  • Journal Title: JSIAD Journal Volume: 1 Issue: 1 Pages: 24-34
  • DOI: 10.34563/jsiadjournal.1.1_24
  • NAID: 130008142173
  • ISSN: 2435-7693
  • Year and Date: 2022-01-17
• [Journal Article] Trapping of CDC42 C-terminal variants in the Golgi drives pyrin inflammasome hyperactivation (2022)
  • Author(s): Nishitani-Isa M, Mukai K, Honda Y, Nihira H, Tanaka T, Shibata H, Miyamoto T, Komada K, Hiejima E, Izawa K, Kawasaki Y, Osawa M, Katata Y, Onodera S, Watanabe T, Kure S, Takita J, Ohara O, Saito M, Nishikomori R, Taguchi T, Sasahara Y#, Yasuki T#. (# Equal corresponding author)
  • Journal Title: J Exp Med Volume: 219(6) Issue: 6
  • DOI: 10.1084/jem.20211889
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The activity of disease-causative STING variants can be suppressed by wild-type STING through heterocomplex formation (2022)
  • Author(s): Shindo Ruri、Kuchitsu Yoshihiko、Mukai Kojiro、Taguchi Tomohiko
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 10 Pages: 1037999-1037999
  • DOI: 10.3389/fcell.2022.1037999
• [Journal Article] Lysosomal vesiculophagy terminates STING signalling (2022)
  • Author(s): Kuchitsu Yoshihiko、Mukai Kojiro、Takaada Yuki、Shinojima Ayumi、Hamano Shiori、Uematsu Rei、Ogawa Emari、Suzuki Takehiro、Dohmae Naoshi、Uemura Takefumi、Arai Hiroyuki、Waguri Satoshi、Taguchi Tomohiko
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 485012-485012
  • DOI: 10.1101/2022.03.20.485012
  • Open Access
• [Journal Article] Specific association of TBK1 with the trans-Golgi network following STING stimulation (2022)
  • Author(s): Kemmoku Haruka、Kuchitsu Yoshihiko、Mukai Kojiro、Taguchi Tomohiko
  • Journal Title: Cell Structure and Function Volume: 47 Issue: 1 Pages: 19-30
  • DOI: 10.1247/csf.21080
  • NAID: 130008158062
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A cell-free assay implicates a role of sphingomyelin and cholesterol in STING phosphorylation (2021)
  • Author(s): Takahashi Kanoko、Niki Takahiro、Ogawa Emari、Fumika Kiku、Nishioka Yu、Sawa Masaaki、Arai Hiroyuki、Mukai Kojiro、Taguchi Tomohiko
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 11996-11996
  • DOI: 10.1038/s41598-021-91562-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Role of Phosphatidylserine in the Function of Recycling Endosomes (2021)
  • Author(s): Hasegawa Junya、Uchida Yasunori、Mukai Kojiro、Lee Shoken、Matsudaira Tatsuyuki、Taguchi Tomohiko
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 9 Pages: 783857-783857
  • DOI: 10.3389/fcell.2021.783857
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Aberrant localization of CDC42 C-terminal variants to the Golgi apparatus drives pyrin inflammasome-dependent autoinflammation (2021)
  • Author(s): Nishitani-Isa, M., Mukai, K., Honda, Y., Nihira, H., Tanaka, T., Shibata, H., Kodama, K., Hiejima, E., Izawa, K., Kawasaki, Y., Osawa, M., Katata, Y., Onodera, S., Watanabe, T., Kure, S., Takita, J., Ohara, O., Saito, M. K., Nishikomori, R., Taguchi, T., Sasahara, Y., and Yasumi, T.
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 458902-458902
  • DOI: 10.1101/2021.09.03.458902
  • Open Access
• [Journal Article] STING Operation at the ER/Golgi Interface (2021)
  • Author(s): Taguchi Tomohiko、Mukai Kojiro、Takaya Eiko、Shindo Ruri
  • Journal Title: Frontiers in Immunology Volume: 12 Pages: 1629-1629
  • DOI: 10.3389/fimmu.2021.646304
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Homeostatic regulation of STING by retrograde membrane traffic to the ER (2021)
  • Author(s): Mukai Kojiro、Ogawa Emari、Uematsu Rei、Kuchitsu Yoshihiko、Kiku Fumika、Uemura Takefumi、Waguri Satoshi、Suzuki Takehiro、Dohmae Naoshi、Arai Hiroyuki、Shum Anthony K.、Taguchi Tomohiko
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 61-61
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20234-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Implications of cholesterol and sphingomyelin in STING phosphorylation by TBK1 (2021)
  • Author(s): Takahashi Kanoko、Niki Takahiro、Ogawa Emari、Fumika Kiku、Nishioka Yu、Sawa Masaaki、Arai Hiroyuki、Mukai Kojiro、Taguchi Tomohiko
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 435550-435550
  • DOI: 10.1101/2021.03.15.435550
• [Journal Article] A defect in COPI-mediated transport of STING causes immune dysregulation in COPA syndrome (2020)
  • Author(s): Deng Zimu、Chong Zhenlu、Law Christopher S.、Mukai Kojiro、Ho Frances O.、Martinu Tereza、Backes Bradley J.、Eckalbar Walter L.、Taguchi Tomohiko、Shum Anthony K.
  • Journal Title: Journal of Experimental Medicine Volume: 217 Issue: 11 Pages: 2128-2135
  • DOI: 10.1084/jem.20201045
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 自己炎症性疾患CDC42 C-term病の病態発症の分子機構 (2022)
  • Author(s): 西谷 真彦, 向井 康治朗, 西小森 隆太, 田口 友彦, 笹原 洋二, 八角 高裕
  • Organizer: 第74回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] 発光タンパク質NanoLucを利用したSTING分解のハイスループットスクリーニング (2022)
  • Author(s): 東海林 紬, 朽津 芳彦, 篠島 あゆみ, 向井 康治朗, 田口 友彦
  • Organizer: 第74回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] 自然免疫分子STINGのゴルジ体での活性化分子機構 (2022)
  • Author(s): 見目 悠, 高橋 花乃子, 向井 康治朗, 鈴木 健一, 田口 友彦
  • Organizer: 第74回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] Lysosomal vesiculophagy terminates STING signalling (2022)
  • Author(s): Yoshihiko Kuchitsu, Kojiro Mukai, Yuki Takaada, Ayumi Shinojima, Shiori Hamano, Rei Uematsu, Emari Ogawa, Takehiro Suzuki, Naoshi Dohmae, Takefumi Uemura, Hiroyuki Arai, Satoshi Waguri, Tomohiko Taguchi
  • Organizer: The 10th International Symposium on Autophagy (ISA2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] リソソームミクロオートファジーによる STINGの分解を介した自然免疫応答制御 (2022)
  • Author(s): 向井 康治朗, 朽津 芳彦, 田口 友彦
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会
• [Presentation] 自然免疫分子STINGの小胞体局在維持機構とその破綻に起因する疾患 (2021)
  • Author(s): 向井康治朗,小川笑満里,植松黎,朽津芳彦,菊史佳,植村武文,和栗聡,鈴木健裕,堂前直,新井洋由,SHUM Anthony K,田口友彦
  • Organizer: 日本細胞生物学会大会(Web) 2021年
• [Presentation] Homeostatic regulation of STING by retrograde membrane traffic to the ER (2021)
  • Author(s): Kojiro Mukai,Anthony K. Shum,Tomohiko Taguchi
  • Organizer: ASBMB Annual Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 自然免疫分子 STING シグナルの収束機構 (2020)
  • Author(s): 朽津_芳彦、高阿田_有希、向井_康治朗、田口_友彦
  • Organizer: 第７２回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] 自然免疫分子 STING は trans-Golgi network において下流キナーゼ TBK1 をリクルートする (2020)
  • Author(s): 見目_悠、向井_康治朗、田口_友彦
  • Organizer: 第７２回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] 光クロスリンク技術を用いた自然免疫分子 STING の結合タンパク質の探索 (2020)
  • Author(s): 進藤_瑠璃、樋野_展正、土井_健史、向井_康治朗、田口_友彦
  • Organizer: 第７２回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] リン酸化 STING を認識するモノクローナル抗体の作製 (2020)
  • Author(s): 高橋_花乃子、湯本_瑛亮、高谷_英子、進藤_瑠璃、高阿田_有希、篠島_あゆみ、堀口_雛、朽津_芳彦、向井_康治朗、田口_友彦
  • Organizer: 第７２回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] ホスファチジルイノシトール -4 リン酸(PI4P)近傍タンパク質の解析 (2020)
  • Author(s): 倪_申_、向井康治朗、鈴木_健裕、堂前_直、新井_洋由、田口_友彦、河野望
  • Organizer: 第７２回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] 細胞内物質輸送異常が引き起こす STING の活性化に起因する自己炎症性疾患 (2020)
  • Author(s): 向井_康治朗、小川_笑満里、朽津_芳彦、新井_洋由、田口_友彦
  • Organizer: 第７２回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] 自然免疫分子STINGの小胞体局在性維持機構とその破綻に起因する遺伝性自己炎症性疾患 (2020)
  • Author(s): 向井康治朗、小川笑満里、朽津芳彦、植村武文、和栗聡、鈴木健裕、堂前直、新井洋由、Anthony K. Shum、田口友彦
  • Organizer: 第93回日本生化学会大会
• [Book] The Lipid (2021)
  • Author(s): 向井 康治朗
  • Total Pages: 7
  • Publisher: (株)メディカルレビュー社
  • ISBN: 9784779224430
• [Book] 実験医学 (2021)
  • Author(s): 向井 康治朗
  • Total Pages: 5
  • Publisher: (株)羊土社
  • ISBN: 9784758125444