2016 Fiscal Year Annual Research Report
Systemic mechanisms of response to hypoxic stresses
| Project Area | Oxygen biology: a new criterion for integrated understanding of life |
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| Project/Area Number |
26111002
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
山本 雅之 東北大学, 医学系研究科, 教授 (50166823)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 教郎 東北大学, 医学系研究科, 准教授 (20447254)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | 低酸素応答 / 遺伝子改変マウス / 貧血 / 腎臓病 / 酸化ストレス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
動物個体において、各臓器への酸素供給は赤血球を介して営まれることから、赤血球産生量の調節は微小環境への酸素供給量の変動に直結する。骨髄における赤血球の分化増殖は、腎臓由来の造血因子エリスロポエチン（Epo）により促進されるが、肝臓を中心とした鉄代謝系にも大きな影響を及ぼす。本研究では、Epo遺伝子が低酸素誘導的に発現する際の分子機序および低酸素誘導性の赤血球産生系について、多臓器における複数の生体調節機構が連携したシステミックな制御系として捉え、その分子機構の解明を目指している。
これまでに、遺伝子改変マウスを用いて、主要なEpo産生細胞であるREP（Renal Epo producing）細胞における低酸素誘導的Epo遺伝子発現制御機構の解析を行い、PHD2-HIF2α経路が重要であることを見出した。慢性腎臓病ではREP細胞がEpo産生能を失うため、高頻度に貧血を併発するが、REP細胞のPHD2を不活性化することにより、Epo産生能を回復させることが可能であった。また、Epo遺伝子の制御領域解析から、転写開始点から10 kb程離れた上流域にREP細胞で機能する低酸素応答性の制御領域が散在することを明らかにした。一方、第２のEpo産生部位である肝臓では、３つのPHDアイソフォームが相補的に機能していた。また、腎臓と同様に、HIF2αが肝Epo遺伝子発現誘導を担うが、HIF2αはHIF3αの発現も誘導する。HIF3αの役割を検証したところ、過剰なEpo産生を回避するために、HIF2αの活性を抑えることを明らかにした。この成果により、適切な酸素環境を維持するための抑制性の制御機構の重要性を認識した。さらに、REP細胞は鉄蓄積による酸化ストレス障害を受けやすい細胞であり、REP細胞における酸化ストレス障害は腎臓病を増悪化させることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
Epo遺伝子のREP細胞における発現制御機構について、低酸素センサー、転写因子、制御領域の３点を明らかにすることができ、低酸素に応じたEpo産生のシグナルカスケードの全貌を明らかにすることができた（Souma et al, J Am Soc Nephrol 2016; Hirano et al. Mol Cell Biol 2017）。この成果により、腎性貧血の分子機構が明らかとなり、現在臨床試験が進められているEpo産生促進薬の作用機序を解明することができた。また、虚血再灌流による腎障害の進展メカニズムに酸化ストレスが深く関与することを明らかにし、酸化ストレス防御因子である転写因子Nrf2の活性化剤が腎障害を軽減させることを見出した。Nrf2の活性化剤も臨床試験が進められており、その作用機序を裏付ける結果となった。いずれの研究についても、論文発表時にプレスリリースを行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画の通り、引き続き(1) Epo遺伝子の発現制御機構、(2)慢性低酸素応答機構、(3)Epoによる造血誘導機構の３点に大きく分けて研究を展開する。そのために、REP細胞の分子生物学解析が不可欠であることから、REP細胞の培養・増殖誘導・不死化は重要な課題である。REP細胞の培養・増殖技術の確立が困難だった場合、マウス腎臓から効率的なREP細胞単離法を確立し、単離REP細胞を用いた研究を推進する。
REP細胞の網羅的なエピゲノム解析、遺伝子発現解析を行い、Epo遺伝子制御機構の解明とREP細胞の性状解明を目指す。また、REP細胞の生存、増殖を誘導する因子の同定を試みる。さらに、貧血低酸素状態が腎臓病の悪性化を引き起こすことを見出しており、その分子機序を解析し、Keap1-Nrf2系などの酸化ストレス防御系による病態改善効果を検討する。生体が適切な酸素環境を維持するための分子機構を明らかにするために、低酸素誘導性の遺伝子発現制御機構に加えて、低酸素誘導的に発動する抑制性の遺伝子発現制御機構についても解析を進める。これまでに、HIF3αによる抑制性のEpo遺伝子制御機構を報告している。また、貧血時にはREP細胞がEpo受容体を発現することから、Epo自身がEpo遺伝子の過剰な発現を抑制することが示唆されている。
慢性貧血・低酸素において特異的に発現する遺伝子や代謝産物の同定が完了したので、今後は候補因子の慢性低酸素応答機構における機能解析を進める。Epoによる赤血球造血誘導機構については、低酸素環境下ではEpoが赤血球の分化増殖に加えて、赤血球の代謝経路にも影響を及ぼすことを見出しており、その意義とメカニズムについて研究を展開する。
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[Journal Article] The novel Nrf2 inducer TFM-735 ameliorates experimental autoimmune encephalomyelitis in mice.2017
Author(s)
Higashi C, Kawaji A, Tsuda N, Hayashi M, Saito R, Yagishita Y, Suzuki T, Uruno A, Nakamura M, Nakao K, Furusako S, Yamamoto M.
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Journal Title
Eur J Pharmacol
Volume: 802
Pages: 76-84
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Halofuginone enhances the chemo-sensitivity of cancer cells by suppressing NRF2 accumulation.2017
Author(s)
Tsuchida K, Tsujita T, Hayashi M, Ojima A, Keleku-Lukwete N, Katsuoka F, Otsuki A, Kikuchi H, Oshima Y, Suzuki M, Yamamoto M.
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Journal Title
Free Radic Biol Med
Volume: 103
Pages: 236-247
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Synthesis of Keap1-phosphorylated p62 and Keap1-Nrf2 protein-protein interaction inhibitors and their inhibitory activity.2016
Author(s)
Yasuda D, Nakajima M, Yuasa A, Obata R, Takahashi K, Ohe T, Ichimura Y, Komatsu M, Yamamoto M, Imamura R, Kojima H, Okabe T, Nagano T, Mashino T.
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Journal Title
Bioorg Med Chem Lett
Volume: 26
Pages: 5956-5959
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Role of Keap1-Nrf2 signaling in depression and dietary intake of glucoraphanin confers stress resilience in mice2016
Author(s)
Yao W, Zhang JC, Ishima T, Dong C, Yang C, Ren Q, Ma M, Han M, Wu J, Suganuma H, Ushida Y, Yamamoto M, Hashimoto K.
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Journal Title
Sci Rep
Volume: 6
Pages: 30659
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Functional links between SQSTM1 and ALS2 in the pathogenesis of ALS: cumulative impact on the protection against mutant SOD1-mediated motor dysfunction in mice2016
Author(s)
Hadano S, Mitsui S, Pan L, Otomo A, Kubo M, Sato K, Ono S, Onodera W, Abe K, Chen X, Koike M, Uchiyama Y, Aoki M, Warabi E, Yamamoto M, Ishii T, Yanagawa T, Shang HF, Yoshii F.
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Journal Title
Hum Mol Genet
Volume: 25
Pages: 3321-3340
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] p62/Sqstm1 promotes malignancy of HCV-positive hepatocellular carcinoma through Nrf2-dependent metabolic reprogramming.2016
Author(s)
Saito T, Ichimura Y, Taguchi K, Suzuki T, Mizushima T, Takagi K, Hirose Y, Nagahashi M, Iso T, Fukutomi T, Ohishi M, Endo K, Uemura T, Nishito Y, Okuda S, Obata M, Kouno T, Imamura R, Tada Y, Obata R, (15 authors), Yamamoto M, Tanaka K, Komatsu M.
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Journal Title
Nat Commun
Volume: 7
Pages: 12030
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Nrf2 suppresses macrophage inflammatory response by blocking proinflammatory cytokine transcription.2016
Author(s)
Kobayashi EH, Suzuki T, Funayama R, Nagashima T, Hayashi M, Sekine H, Tanaka N, Moriguchi T, Motohashi H, Nakayama K, Yamamoto M.
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Journal Title
Nat Commun
Volume: 7
Pages: 11624
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] NRF2 Intensifies Host Defense Systems to Prevent Lung Carcinogenesis, but After Tumor Initiation Accelerates Malignant Cell Growth2016
Author(s)
Satoh H, Moriguchi T, Saigusa D, Baird L, Yu L, Rokutan H, Igarashi K, Ebina M, Shibata T, Yamamoto M.
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Journal Title
Cancer Res
Volume: 76
Pages: 3088-3096
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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