| Project/Area Number |
22H00419
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science |
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Principal Investigator |
田中 啓二 公益財団法人東京都医学総合研究所, 基礎医科学研究分野, 理事長 (10108871)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥42,510,000 (Direct Cost: ¥32,700,000、Indirect Cost: ¥9,810,000)
Fiscal Year 2024: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
Fiscal Year 2023: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
Fiscal Year 2022: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000)
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| Keywords | Proteasome / Ubiquitin / Proteolysis / ATP / プロテアソーム / ユビキチン / 相分離 / 神経変性疾患 |
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| Outline of Research at the Start |
代表者がライフワークとして進めてきた巨大で複雑なタンパク質分解酵素であるプロテアソームについては、依然として未解明な課題が山積している。最近、代表者らは浸透圧ストレス負荷後に液-液相分離して生じたプロテアソーム液滴がタンパク質分解センターとして機能することを発見すると共にユビキチンの分岐鎖がタンパク質分解シグナルを増幅・変換することを発見した。本研究では、新規に見出したATP枯渇ストレスによって誘導されるプロテアソームの相分離機構とユビキチン分岐鎖が制御する難分解性タンパク質のクリアランス機構の全容解明に挑み、プロテオスタシスの異常に起因した神経変性疾患の発症機構解明に新たな地平を拓く。
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者は、巨大で複雑なタンパク質分解酵素であるプロテアソームの構造と機能に関する基礎研究を推進してきた。本研究では、（1）タンパク質相分離が駆動するプロテアソーム動態とプロテオスタシス制御機構、（2）ユビキチン分岐鎖の分子機能にそれぞれ着目した課題を進めている。
これまで（1）について、ATP枯渇ストレスで形成するユビキチン・プロテアソーム液滴の解析を行い、本液滴が相転移で形成するハイドロゲル様の性質を持ち、細胞毒性を示すこと、すなわち神経変性疾患など広範の疾病で観察されるユビキチン封入体に類似することを明らかにした。また、液滴形成・解離の分子機構を着実に解明してきた。本年度、網羅的プロテオミクス解析により液滴に集積するユビキチン化基質やATP低下に伴うプロテオームワイドな変動を捉えることで、プロテアソームがタンパク質分解以外の非分解性機能を持つという興味深い仮説が導き出された。さらに、ユビキチン研究を拡張し、新たに見出したエンドソームにおけるオルガネラストレスが惹起するユビキチンシグナルやマイトファジー駆動におけるユビキチンレセプターOPTNの役割を報告した（JCB 2024、EMBO J 2024）。
また（2）について、ユビキチンリガーゼcIAPを利用した標的タンパク質分解誘導におけるK63鎖からK11鎖とK48鎖が枝分かれしたK11/K48/K63分岐鎖の重要性を明らかにしたが（Nat Chem Biol 2023）、本年度はがん治療の標的タンパク質として注目されるBRD4をターゲットにしたVHL型PROTACのタンパク質分解効率に影響を及ぼす化合物をスクリーニングし、促進または抑制作用を示す化合物を複数同定した。
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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
これまで、本研究課題は殆ど計画通りに進捗している。
第一の課題、ユビキチン・プロテアソーム相分離について、ATP枯渇ストレスで形成するユビキチン・プロテアソーム液滴は相分離が進むにつれて、相転移したハイドロゲル様の構造となり、浸透圧刺激で形成される液滴と比べて極めて流動性が乏しいこと、そして細胞毒性を示すことを明らかにした。次いで、その形成・解離因子の同定に成功すると共に、集積するユビキチン化基質やATP低下に伴うプロテオームリモデリングを質量分析によって明らかにした。これらの結果から、ATP低下時にプロテアソームは、タンパク質分解以外の非分解性機能を持つ可能性が浮かび上がってきた。さらに、ユビキチン相分離の拡張研究として、新たなオルガネラストレス・エンドソームストレスの発見および活性化する細胞内シグナル伝達経路の同定、ユビキチンレセプターOPTNがマイトファジーを駆動する分子機構の解明に成功している。
第二の課題、ユビキチン分岐鎖について、ユビキチンリガーゼcIAPを利用した標的タンパク質分解誘導剤の分子機構を解析し、cIAPはE2ユビキチン結合酵素UBE2N依存的に自己ユビキチン化すると共に、標的タンパク質をユビキチン化し、分解に導くことを明らかにした。さらに、BRD4をターゲットにしたVHL型PROTACのタンパク質分解能へ影響を及ぼす化合物をスクリーニングし、促進あるいは抑制作用を示す化合物を同定した。これらの化合物によるPROTAC制御機構の解析に着手しており、ユビキチン創薬へのさらなる貢献が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在まで、ユビキチン・プロテアソーム相分離とユビキチンコードの解析を着々と進め、本研究課題は順調に進展している。これら双方の知見を併せて、プロテアソームとユビキチンを軸とするプロテオスタシス制御機構の理解をさらに深めていく。
第一の課題、プロテアソーム相分離については、ATP枯渇で形成する液滴を解析対象に、研究代表者のグループで構築した高度なプロテオミクス解析系を駆使し、特に不溶性画分のユビキチン化基質に焦点を当てて解析を進める。細胞内のATPレベル低下によりユビキチン化基質が相転移し、難溶性の液滴を形成するという仮説モデルの実証とその制御機構の解明を目指す。また、近年拡大の一途をたどるプロテアソームおよびユビキチン化基質の相分離について、今後も多面的解析や拡張研究を積極的に進め、相分離およびそれに類ずる制御メカニズムを介したプロテオスタシスネットワークの統合的理解に迫る。
第二の課題、ユビキチン分岐鎖については、ユビキチン分岐鎖を軸としてPROTACs作動機構の解析を継続し、生物学的意義および重要性を含めその全貌を明らかにしていく。また、本課題で同定したBRD4をターゲットにしたVHL型PROTACの促進・抑制化合物の生化学・分子生物学的解析を進めることで、PROTACs作動機構をさらに広く深く明らかにし、ユビキチン創薬への応用的展開を目指す。
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