加齢に伴うタンパク質の構造・機能変化とその病理学的役割の解明

• Project/Area Number: 23K24031
• Project/Area Number (Other): 22H02768 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 47030:Pharmaceutical hygiene and biochemistry-related
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 古川 良明 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (40415287)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2025: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2024: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 神経変性疾患 / スーパーオキシドディスムターゼ

Outline of Research at the Start

本研究では、さまざまな老年症候群や加齢性疾患の予防・治療法開発につなげるため、加齢に伴うタンパク質への酸化修飾に着目し、それらがタンパク質構造・機能に及ぼす影響を明らかにする。タンパク質酸化は酸化ストレスを示すマーカーとして捉えられているが、加齢に伴って酸化されるタンパク質やその酸化部位を同定した例は数少ない。そこで、加齢性に酸化が亢進するタンパク質を生体試料から網羅的に探索するとともに、酸化修飾がタンパク質の構造や機能に及ぼす影響を、構造生物学的手法によって原子レベルで明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

変異型の銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（SOD1）は家族性の筋萎縮性側索硬化症（ALS）の病因タンパク質であり、運動ニューロンにおいて凝集し封入体を形成することが知られている。SOD1の凝集メカニズムについては多くの研究がなされているものの、いまだに解明がなされていない。本課題では、ALSが加齢性疾患の一つであり酸化ストレスの亢進が報告されていることに着目し、酸化的環境におけるSOD1の構造変化を明らかにすることで、ALSにおけるSOD1凝集の病理学的役割について理解することを目的としている。実際、ALS患者の脳脊髄液に含まれるSOD1は、タンパク質表面に露出しているCys111の側鎖が酸化されていることを報告してきた。そこで本年度には、SOD1に過酸化水素を添加することによって、Cys111の酸化を試験管内で再現することを試み、Cys111の酸化がSOD1の構造に及ぼす影響について検討を進めた。まず、高濃度の過酸化水素を添加することによって、Cys111の側鎖がスルフェン酸・スルホン酸に酸化されることを質量分析によって明らかにした。また、Cys111の側鎖がスルフェン酸に酸化されたSOD1を模倣したC111D変異型SOD1を作製し、熱安定性や亜鉛イオンとの結合親和性について評価した。特に、C111D変異によってSOD1の熱安定性が若干ではあるが低下することがわかったものの、生理的温度においてタンパク質のミスフォールディングが引き起こされるほどの安定性低下ではなかった。しかし、過酸化水素で酸化したSOD1は疎水性度が増大しており、変性していることが示唆されたことから、酸化によるSOD1の変性メカニズムについてさらに検討を進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

これまでに、ALSを含めたいくつかの神経変性疾患患者に由来する脳脊髄液を解析し、一部の検体から酸化型SOD1と考えられる異常タンパク質を検出している。それらの結果に基づいて、SOD1のミスフォールディング・構造異常化は酸化が引き金となっているのではないかと考えている。本課題では、過酸化水素によってSOD1を酸化し、酸化型SOD1の構造・機能的特徴について検討を進めることができている。

Strategy for Future Research Activity

ALSの原因となる病因性変異を有したSOD1についても検討を行い、SOD1の酸化されやすさや、酸化されうるアミノ酸残基などが変異によって変化するのかを明らかにする。また、SOD1が酸化されることによって、結合している銅イオンや亜鉛イオンとの親和性に影響が及ぶのかについても検討をすすめる。

Research Products

• [Journal Article] Engineering a monobody specific to monomeric Cu/Zn‐superoxide dismutase associated with amyotrophic lateral sclerosis (2024)
  • Author(s): Amesaka Hiroshi、Hara Mizuho、Sakai Yuki、Shintani Atsuko、Sue Kaori、Yamanaka Tomoyuki、Tanaka Shun‐ichi、Furukawa Yoshiaki
  • Journal Title: Protein Science Volume: 33 Issue: 4
  • DOI: 10.1002/pro.4961
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Intrinsic structural vulnerability in the hydrophobic core induces species-specific aggregation of canine SOD1 with degenerative myelopathy-linked E40K mutation (2023)
  • Author(s): Hashimoto Kei、Watanabe Seiji、Akutsu Masato、Muraki Norifumi、Kamishina Hiroaki、Furukawa Yoshiaki、Yamanaka Koji
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 299 Issue: 6 Pages: 104798-104798
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2023.104798
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼの成熟化を通じて理解する生体内銅動態の重要性 (2024)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 組織特異的な金属ホメオスタシスが神経変性疾患の病理に果たす役割 (2023)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: 第23回日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] 変性性脊髄症における変異型SOD1の凝集メカニズム (2023)
  • Author(s): 篠宥毅、小畠結、神志那弘明、加藤龍一、村木則文、古川良明
  • Organizer: メタルバイオサイエンス研究会2023
• [Presentation] システイン残基の酸化に伴うSOD1のミスフォールディングと筋萎縮性側索硬化症 (2023)
  • Author(s): 吉田萌乃、明石知子、田尻道子、村木則文、古川良明
  • Organizer: メタルバイオサイエンス研究会2023
• [Presentation] フラグメント抗体を利用した変性性脊髄症関連タンパク質SOD1の構造解析 (2023)
  • Author(s): 篠宥毅、小畠結、神志那弘明、村木則文、古川良明
  • Organizer: 第23回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 神経変性疾患に見られる酸化的環境下でのSOD1タンパク質の構造異常化メカニズム (2023)
  • Author(s): 吉田萌乃、村木則文、秋山修志、古川良明
  • Organizer: 第23回日本蛋白質科学会年会
• [Remarks] 生命機構化学研究室（古川研）
  • URL: https://furukawa-lab.org
• [Remarks] 生命金属科学
  • URL: https://bio-metal.org/