Nuclear in situ metabolisms and nuclear receptors.

• Project/Area Number: 20K20592
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 48:Biomedical structure and function and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 小椋 利彦 東北大学, 加齢医学研究所, 教授 (60273851)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2023: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2022: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2021: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000); Fiscal Year 2020: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
• Keywords: 核内脂質 / エネルギー代謝 / 核内受容体 / 質量分析 / Spermidine / 核内代謝 / 脂質代謝

Outline of Research at the Start

本研究では、以下の3つを行う。
1）核内脂質の分析　本研究で詳細な質量分析を行い、核内核脂質成分を同定する。
2）細胞の変化による脂質成分変動の把握　C2C12細胞は、力学刺激によって骨格筋細胞や脂肪細胞にも分化する。未分化C2C12、分化Type IIa/IIb骨格筋細胞、脂肪細胞について、細胞質／核脂質の質量分析を行う。
3）生理的意義の解明　骨格筋のエネルギー代謝、脂肪細胞分化に関与する核内受容体について、細胞質／核内脂質がagonist活性を持つかを検証する。同定された脂質は、マウス個体にに応用する。また、廃用性萎縮骨格筋の核脂質の組成差、若いマウスと老齢マウスの組成差なども解析する。

Outline of Annual Research Achievements

これまで， C2C12細胞を細胞質と核に分画し、脂質成分を抽出して詳細な質量分析を行った。そして、 Phosphatidylcholine (PC)、Phosphatidylethanolamine (PE)、lysoPC、lysoPE、Sphingomyelin、Ceramide etc まで拡大して核脂質成分を同定し、リスト化、 データベース化することができた。昨年度から，この中でもSphingolipid に注目し，その代謝，トランスポーターに関連し，細胞への力学刺激で発現が 大きく変動する因子を同定して解析を行なった。この因子は，exosome を介した細胞外放出にも関連し，exercise hormone transporter としての機能が見込まれる。 本年度，この因子が，特定のエネルギー代謝調節性核内受容体受容体ERRa/bに対して強力な転写抑制効果を持つことが明らかとなった。このトランスポーターは，ERRa，ERRb 特異的であった。また，本年度は，このトランスポーターのドメイン解析を行い，ERR転写制御に関与するドメインを決め，脂質結合ドメインをそのアミノ酸構造比較から予測した。そして，これらの機能ドメインを欠失させた変異体に，ERR調節昨日が無くなることも確認した。また，本年度はこのドメインに結合する脂質を同定する方法を樹立する目的で，大腸菌に変異体を含むトランスポータータンパク質を発現させ，精製する条件を検討し，一定の条件を確定し，次年度，質量分析によって，核内脂質のうち，このトランスポーターに結合し得る脂質を同定する基盤を作った。
また，エネルギー代謝調節因子として核内脂質以外にspermidine（SPD）を同定し，SPD結合タンパク質を行い，mitochondria Trifunctional Protein，ほか3種を同定した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

核内脂質を核内から細胞が今で輸送，放出する可能性のあるトランスポーターを同定し，これに結合する脂質を質量分析で同定する方法を自立できた。また，このトランスポータの機能ドメインを特定し，核内受容体ERRに特異的であることを確認できた。これらの知見は，次年度の研究の重要な基盤となる。また，研究の進展に伴って，核内資質では無いが，細胞のエネルギー代謝を調節しえる Spermidine を同定し，この結合タンパク質を複数同定し得たことは大きな，予想外の成果であった。この成果は，Science 誌に報告した。

Strategy for Future Research Activity

次年度は，新規トランスポーターにどの脂質に結合するかを決定したい。また，このトランスポーターの細胞内での挙動を詳細に解析し，核を含む細胞小器官との機能的な関係を検討する必要がある。加えて，新規トランスポーターと ERRa/b に結合するリガンドの精製，同定方法を開発，樹立する必要がある。 次年度は，これらの研究内容を推進する。さらに，Spermidine が直接，ミトコンドリアのb-oxidationを活性化することが明らかとなったため，次年度は，Spermdine の核内濃度の測定，その制御機構の解明を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Spermidine activates mitochondrial trifunctional protein and improves antitumor immunity in mice. (2022)
  • Author(s): Al-Habsi M, Chamoto K, Matsumoto K, Nomura N, Zhang B, Sugiura Y, Sonomura K, Maharani A, Nakajima Y, Wu Y, Nomura Y, Menzies R, Tajima M, Kitaoka K, Haku Y, Delghandi S, Yurimoto K, Matsuda F, Iwata S, Ogura T, Fagarasan S, Honjo T.
  • Journal Title: Science Volume: 378 Issue: 6618
  • DOI: 10.1126/science.abj3510
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural insights into vesicle amine transport-1 (VAT-1) as a member of the NADPH-dependent quinone oxidoreductase family (2021)
  • Author(s): Kim Sun-Yong、Mori Tomoyuki、Chek Min Fey、Furuya Shunji、Matsumoto Ken、Yajima Taisei、Ogura Toshihiko、Hakoshima Toshio
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-021-81409-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Findings from recent studies by the Japan Aerospace Exploration Agency examining musculoskeletal atrophy in space and on Earth (2020)
  • Author(s): Atsushi Higashitani et al
  • Journal Title: npj microgravity Volume: 1
  • Peer Reviewed