分子夾雑環境における酸化的フォールディングのモニタリング法の開発

• Project Area: Chemical Approaches for Miscellaneous / Crowding Live Systems
• Project/Area Number: 20H04688
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 奥村 正樹 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (50635810)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 分子夾雑 / 酸化的フォールディング / PDI / セミインタクト細胞 / シャペロン / カルシウム / 細胞内酸化的フォールディングモニタリング法 / HPLC

Outline of Research at the Start

分子夾雑環境である小胞体内における酸化的フォールディングの観測法を新たに開発し、世界に先駆けて細胞内フォールディングの理解を目指す。試験管内と細胞内フォールディングの比較により、分子夾雑環境におけるシャペロンの作動原理を探究する点で本領域に貢献する。これはこれまで遅れていた小胞体内フォールディングの核心を本質的かつ独創的な視点で解明できると期待される。申請者が専門とする酸化的フォールディング中間体の安定単離および解析技法・知識と、セミインタイクト細胞を用いた小胞体内酸化的フォールディングの解析技術の融合を、本領域にフィードバックし、新たな視点で、本領域の一層の推進に貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

哺乳動物細胞の小胞体において、夾雑環境で働くPDIファミリーのひとつP5は酸化的フォールディングの触媒や小胞体ストレス応答因子であるIRE1の不活性化の機能が報告されていたが、P5はこれまで構造未知なためその作動原理は不明であった。今回明らかにした新規P5構造から、新たにa0ドメインに二量体化に重要なLeu-Val adhesive motifを見出した。二量体形成motifの欠損は、部分構造の崩壊を起こしており、細胞内で小胞体ストレスを引き起こし、P5酵素は二量体化することで細胞内機能を保持していることを明らかにした。
さらに、P5はPDIと複合体を組むことで、効率的な酸化的フォールディング触媒を行う一方、ERp72と複合体を組むとシャペロン機能を亢進することがわかった。また、PDIファミリーのひとつERp57がCNXと複合体を組む際カルシウムがトリガーとなっており、カルシウム非存在下で強く相互作用し酸化的フォールディング触媒能を向上させることを示した。生理学的な環境では、カルシウム枯渇時小胞体内はストレスがかかっており、ミスフォールドタンパク質が蓄積されていることが知られており、本結果はストレス状況下回避のための酵素間複合体形成と機能付与を示唆している。
以上の成果は細胞内夾雑環境で、酵素群がパートナータンパク質との複合体形成を調節することで、効率的に基質フォールディングを触媒することを示唆しており、今後さらなる細胞内フォールディングの研究が進行することが望まれる。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] KBSI(韓国)
• [Int'l Joint Research] University of Glasgow(英国)
• [Int'l Joint Research] Korea Basic Science Institute(韓国)
• [Journal Article] Conjugate of Thiol and Guanidyl Units with Oligoethylene Glycol Linkage for Manipulation of Oxidative Protein Folding (2021)
  • Author(s): Okada Shunsuke、Matsusaki Motonori、Okumura Masaki、Muraoka Takahiro
  • Journal Title: Molecules Volume: 26 Issue: 4 Pages: 879-879
  • DOI: 10.3390/molecules26040879
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Distinct roles and actions of protein disulfide isomerase family enzymes in catalysis of nascent-chain disulfide bond formation (2021)
  • Author(s): Hirayama, C., Machida, K., Noi, K., Murakawa, T., Okumura, M., Ogura, T., Imataka, H., and Inaba, K.*
  • Journal Title: iScience Volume: 4 Issue: 4 Pages: 102296-102296
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102296
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A unique leucine-valine adhesive motif supports structure and function of protein disulfide isomerase P5 via dimerization (2021)
  • Author(s): Okumura M, Kanemura S., Matsusaki M., Kinoshita M., Saio T., Ito D., Hirayama C., Kumeta H., Watabe M., Amagai Y., Lee Y. H., Akiyama S. and Inaba K.
  • Journal Title: Structure Volume: 29 Issue: 12 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1016/j.str.2021.03.016
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ca2+ Regulates ERp57-Calnexin Complex Formation. (2021)
  • Author(s): Tanikawa Y,# Kanemura S,# Ito D, Lin Y, Matsusaki M, Kuroki K, Yamaguchi H, Maenaka K, Lee YH, Inaba K, and *Okumura M.
  • Journal Title: Molecules Volume: 26 Issue: 10 Pages: 2853-2853
  • DOI: 10.3390/molecules26102853
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Functional Interplay between P5 and PDI/ERp72 to Drive Protein Folding. (2021)
  • Author(s): Matsusaki M, Okada R, Tanikawa Y, Kanemura S, Ito D, Lin Y, Watabe M, Yamaguchi H, Saio T, Lee YH, Inaba K, and *Okumura M.
  • Journal Title: Biology Volume: 10 Issue: 11 Pages: 1112-1112
  • DOI: 10.3390/biology10111112
  • NAID: 120007168792
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A unique leucine-valine adhesive motif supports structure and function of protein disulfide isomerase P5 via dimerization (2021)
  • Author(s): Okumura, M.,* Kanemura, S.,# Matsusaki, M., # Kinoshita, M., # Saio, T., Ito, D., Hirayama, C., Kumeta, H., Watabe, M., Amagai, Y., Lee, Y.H., Akiyama, S., and Inaba, K.*
  • Journal Title: Structure Volume: in press
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Distinct roles and actions of protein disulfide isomerase family enzymes in catalysis of co-translational disulfide bond formation (2021)
  • Author(s): Hirayama, C., Machida, K., Noi, K., Murakawa, T., Okumura, M., Ogura, T., Imataka, H., and Inaba, K*.
  • Journal Title: iScience Volume: 4 Pages: 102296-102296
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Conjugate of Thiol and Guanidyl Units with Oligoethylene Glycol Linkage for Manipulation of Oxidative Protein Folding (2021)
  • Author(s): Okada, S., Matsusaki, M., Okumura, M.,* and Muraoka, T.*
  • Journal Title: molecules Volume: 26 Pages: 879-879
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Visualization of structural dynamics of protein disulfide isomerase enzymes in catalysis of oxidative folding and reductive unfolding (2021)
  • Author(s): Okumura M, Noi K, and Inaba K*
  • Journal Title: Current Opinion in Structural Biology Volume: 66 Pages: 49-57
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Visualization of structural dynamics of protein disulfide isomerase enzymes in catalysis of oxidative folding and reductive unfolding (2020)
  • Author(s): Okumura, M., Noi, K. and Inaba, K.*
  • Journal Title: Curr. Opin. Struct. Biol. Volume: 66 Pages: 49-57
  • DOI: 10.1016/j.sbi.2020.10.004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] PDI Family Members as Guides for Client Folding and Assembly (2020)
  • Author(s): Kanemura, S, Matsusaki, M, Inaba, K, and Okumura, M.*
  • Journal Title: Int. J. Mol. Sci. Volume: 21
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Antipsychotic olanzapine-induced misfolding of proinsulin in the ER accounts for atypical development of diabetes (2020)
  • Author(s): Ninagawa S*, Tada S,# Okumura M,# Inoguchi K,# Kinoshita M, Kanemura S, Imami K, Umezawa H, Ishikawa T, Okada T, Mackin R, Torii S, Ishihama Y, Inaba K, Anazawa T, Nagamine T, Mori K*
  • Journal Title: eLife Volume: 9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Biochemical characterization of ER-resident peroxidases, GPx7 and GPx8, reveals their different and regulated oxidative activities (2020)
  • Author(s): Kanemura S., Sofia E., Hirai N., Okumura M., Kadokura H., and Inaba K.*
  • Journal Title: JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY Volume: 295 Pages: 12772-12785
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Solution NMR for investigation of liquid-liquid phase separation (2020)
  • Author(s): Saio T*, Okumura M, Lee Y.H*
  • Journal Title: JKMRS Volume: 24 Pages: 47-52
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 小胞体内ジスルフィド結合触媒ネットワークとインスリンフォールディングの品質管理 (2020)
  • Author(s): 奥村正樹、稲葉謙次
  • Organizer: 分子生物学会webフォーラム
  • Invited
• [Presentation] 液液相分離する小胞体内シャペロンの発見、機能、制御機構 (2020)
  • Author(s): 奥村正樹
  • Organizer: 生化学会 年会 web セミナー
  • Invited
• [Book] 小胞体におけるMHCの品質管理 (2020)
  • Author(s): 金村進吾, 松崎元紀, 前仲勝実, 稲葉謙次, 奥村正樹
  • Total Pages: 8
  • Publisher: 臨床免疫・アレルギー科
• [Book] 高速原子間力顕微鏡により明らかにされたプロテインジスルフィドイソメラーゼ（PDI）の構造ダイナミクス (2020)
  • Author(s): 奥村正樹、稲葉謙次
  • Total Pages: 6
  • Publisher: 生化学会 みにれびゅう
• [Patent(Industrial Property Rights)] タンパク質のフォールディング剤 (2021)
  • Inventor(s): 奥村正樹, 村岡貴博, 岡田隼輔, 稲葉謙次, 松﨑元紀
  • Industrial Property Rights Holder: 奥村正樹, 村岡貴博, 岡田隼輔, 稲葉謙次, 松﨑元紀
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021
• [Patent(Industrial Property Rights)] 液滴及びその製造方法 (2020)
  • Inventor(s): 奥村正樹, 松﨑元紀, 金村進吾, 稲葉謙次, 齋尾智英
  • Industrial Property Rights Holder: 奥村正樹, 松﨑元紀, 金村進吾, 稲葉謙次, 齋尾智英
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020