Mechanism of protein aggregation induced by polyphosphate analogues with multivalent charges
| Project/Area Number |
20K06580
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 43040:Biophysics-related
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
山口 圭一 大阪大学, 大学院工学研究科, 特任講師(常勤) (90432187)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
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| Keywords | アミロイド線維 / ポリリン酸 / 酸 / アニオン / 液-液相分離 / 塩析作用 / 塩析 / コスモトロープ / 蛋白質凝集 / 液液相分離 |
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| Outline of Research at the Start |
アミロイド線維や液-液相分離（Liquid-Liquid Phase Separation; LLPS）は様々な神経変性疾患と関連していると考えられており、その形成機構の解明は、アミロイド病の発症機構の解明や治療法の開発のために重要である。本研究では、多価の電荷をもつ核酸やATP、ポリリン酸などの生体高分子に焦点を当て、種々のアミロイド病原因蛋白質のアミロイド線維形成とLLPS形成の分子機構を解明する。これらの凝集体の生理的役割や構造的相関性を明らかにする。また、蛋白質の凝集体形成におけるポリリン酸類縁体の“促進と抑制”の相反する2つの作用機構について理解する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、液-液相分離による膜を介さない細胞内小器官が注目されているが、アミロイド線維形成との関連については不明である。本研究では、多数のリン酸基からなるポリリン酸や核酸、ATPなど多価の電荷をもつ生体分子に注目して、アミロイド線維形成と液-液相分離との関連と多価の電荷をもつ生体高分子の生理的役割を解明することを目的とする。
これまで、申請者はパーキンソン病の原因蛋白質であるαシヌクレインのアミロイド線維形成におけるポリリン酸の役割、そして、透析アミロイド病の原因蛋白質であるβ2ミクログロブリンのアミロイド線維形成における酸や塩に含まれるアニオンの役割を解明してきた。アミロイド線維形成は酸や塩に含まれるアニオンの種類に依存して促進され、低濃度領域では電荷-電荷相互作用により、高濃度領域では選択的水和により促進されると考えられる。
現在、二相分離の実験系を構築して、液-液相分離とアミロイド線維形成との関連について検討している。その結果、液-液相分離によってアミロイド線維形成が促進される分子機構が明らかになりつつある。また、アデノシン三リン酸（ATP）の添加により、アミロイド線維形成が細胞内の濃度に匹敵する数mMで促進されることが分かった。ATPには、蛋白質の凝集体形成を促進あるいは抑制する相反する二つの性質があることが報告されている。液-液相分離とATPによるアミロイド線維形成について、多価の電荷をもつ生体分子の生理的役割について考察する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和２年度は、ポリリン酸によるαシヌクレインのアミロイド線維形成の促進機構に関して論文発表した（Yamaguchi, K. et al., J. Biol. Chem. 296, 100510, 2021）。令和３年度は、酸または塩を用いてβ2ミクログロブリンのアミロイド線維形成におけるアニオンの役割りについて論文発表した（Yamaguchi, K. et al., J. Biol. Chem. 297, 101286, 2021）。
現在、二相分離の実験系を構築して、液-液相分離とアミロイド線維形成との関連について検討している。位相差顕微鏡または蛍光顕微鏡を用いて、形成した液滴を観察した。また、静置あるいは超音波照射下で、アミロイド線維形成実験を行った。その結果、特に液滴の界面でアミロイド線維形成が促進されることが示唆された。また、アデノシン三リン酸（ATP）の添加により、アミロイド線維形成が細胞内の濃度に匹敵する数mMで促進された。生体内では、ATPはエネルギー通貨としての役割があり、重要な生体分子であるが、コスモトロピックなリン酸基を3つ持っており、過飽和状態が崩れることで、蛋白質凝集反応が促進されると考えられる。液-液相分離とATPによるアミロイド線維形成について、多価の電荷をもつ生体高分子の生理的役割について考察する。
また、ポリリン酸を用いて、アルツハイマー病の原因蛋白質であるタウ蛋白質のアミロイド線維形成について調べた。その結果、ポリリン酸によって、タウ蛋白質のアミロイド線維形成が著しく促進されることが分かった。タウ蛋白質には微小管と結合する領域があり、その領域がポリリン酸と結合して、アミロイド線維への構造変化を促進することが示唆された。
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| Strategy for Future Research Activity |
液-液相分離に関して、ポリエチレングリコールとデキストランの二相分離系を構築して、現在、αシヌクレインのアミロイド線維形成と液-液相分離との関連について検討している。アミロイド線維形成は、液滴の界面で促進されることが示唆された。一方、αシヌクレイン以外、β2ミクログロブリン、Aβペプチド、IAPP（Islet Amyloid Polypeptide）などについても、液-液相分離によるアミロイド線維形成について調べたが、顕著な促進効果は見られなかった。興味深い事に、β2ミクログロブリンではアミロイド線維形成が抑制された。液-液相分離に含まれるポリエチレングリコールは蛋白質を安定化する効果があり、過飽和状態が崩れるとアミロイド線維形成が促進されるが、過飽和状態では蛋白質の天然構造を安定化するのかもしれない。液-液相分離の生理的役割について考察する。
また、ATPの添加により、アミロイド線維形成が細胞内の濃度に匹敵する数mMで促進された。ATPには蛋白質の凝集体形成を促進または抑制する相反する二つの性質が報告されている。アミロイド線維形成における、ポリリン酸や核酸、ATPなど多価の電荷をもつ生体分子の効果について調べ、その役割について考察する。また、タウ蛋白質のアミロイド線維形成におけるポリリン酸の役割についても検討する。一方、多価の電荷をもつ生体高分子は液-液相分離にも関与している可能性がある。これらの生体高分子の液-液相分離における役割について検討する。
一方、生体内ではリン酸とカルシウムなどの結晶が自然に形成される。このリン酸カルシウム（アパタイト）結晶は表面に多数のリン酸基があり、アミロイド線維形成のトリガーになっている可能性がある。生体内で形成される結晶性の化合物について、アミロイド線維形成の促進効果について詳細に検討する。
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Report
(3 results)
Research Products
(35 results)
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[Book] 月刊細胞2021
Author(s)
山口圭一, 中島吉太郎, 後藤祐児
Total Pages
4
Publisher
ニューサイエンス社
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