膜結合性ヘムタンパク質PGRMC1の構造的制御による生理機能の解明

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K07011
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 加部 泰明 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 講師 (20397037)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 金属タンパク質 / ヘム / 結晶構造解析 / 癌

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、新規のガス応答性因子として同定した膜タンパク質タンパク質PGRMC1の構造的機能制御の解明を目的とする。X線結晶構造解析により、PGRMC1はチロシン残基のヘム配位によって、突出したヘム同士が重なり合った特異なヘム重合体構造を形成することを見出した。PGRMC1はアポ体ではモノマー構造で存在するが、ヘムと結合することにより２量体化し、生体内ガスCOは、PGRMC1上のヘム同士の重合が解離してPGRMC1の機能が消失することを見出している。さらに、PGRMC1はヘムにより重合化して、がん増殖に関わるEGFRと会合してがん増殖シグナルを増強する。また、重合化したPGRMC1は薬物代謝酵素シトクロムP450と会合して抗がん剤の分解活性を増強して薬剤耐性を促進することが分った。このように、PGRMC1はがん細胞内のヘム濃度に応答して重合化することにより活性化し、がん細胞の増殖促進や抗がん剤耐性に関与するという、ダイナミックな構造変換によって機能することを明らかとした（Nature Commun 2017）。
このようなPGRMC1の構造的知見を基に、PGRMC1に結合する未知の化合物の選定を進め、漢方含まれるいくつかの天然有機化合物がPGRMC1と結合してこのがん増殖作用を抑制することを見出している。さらに、イタリアBari大学との共同研究により、抗癌活性を有するsigma 2 ligandと呼ばれる化合物群がPGRMC1と結合することを明らかとした(Pharmacol Res. 2017)。また、PGMRC1を介した生理機能について、この発現を抑制できるknockdownマウスの作成し、肝炎やメタボリックシンドロームに対するPGRMC1の効果の解析を推進している。このようなPGRMC1の独自の知見を基に、この機能を制御する化合物の選定を進め新たな創薬展開を目指している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

これまでに新規ガス応答性ヘムタンパク質PGRMC1の結晶構造解析に成功し、これがヘムを介した新規の２量体構造を示す事を明らかとしている。さらにヘムによる２量体形成によってPGRMC1はEGFRやシトクロムP450と会合して、がん増殖の進展に関わる事を見出している。これらの知見を基に遺伝子組み換えマウスを用いたPGMRC1の未知の生理機能について解析を進めており、肝機能や脂質代謝に関わる知見を得ている。さらに、PGRMC1に選択的に結合して機能を制御する低分子化合物のスクリーニングを実施し、いくつかのシーズ候補化合物を得ている。平成29年度以降も引き続きPGRMC1の機能的な解明行い、この制御による創薬展開を目指す。

Strategy for Future Research Activity

これまで明らかとしたheme-stacking 構造を形成したPGRMC1を介した生理的な機能制御の解明のため、PGRMC1に相互作用する因子の解析を行うととともに、マウス個体レベルの機能を明らかとする。
（１）PGRMC1に相互作用する因子の包括的解析
現在、細胞膜上でPGRMC1に相互作用する因子群について、membrane-based yeast two-hybrid システムで解析しており、約４０種以上の候補タンパク質が見つかっている。これらの候補分子として、レドックス制御や脂質代謝・輸送に関わる因子が多く同定されており、これらとPGRMC1の結合様式の解析を行い、癌や炎症に関わる作用の解明を目指す。また、PGRMC1に結合する低分子化合物のスクリーニングを行い、誘導体化などの最適化により創薬シーズの創出を行う。
（２）in vivoモデルにおけるPGRCM1の癌・炎症に対する作用の解明
現在PGRMC1-KDマウスを用いて、薬剤が効果を示す事が知られる急性肝炎モデルでの検証を行っており、PGRMC1が肝炎発症の要因となる事を見出している。今後、急性および慢性肝炎におけるPGRMC1の作用を解析し、その分子機構の解明を目指す。薬剤スクリーンニングで得たPGRMC1の制御化合物について、動物モデルへの検証を行い、その作用の解明と薬剤の最適化を検証する。

Causes of Carryover

平成２８年度は、がん増殖に関わるPGRMC1に作用する薬剤の選定のための予算を計上していたが、イタリアBari大学のAbate博士との共同研究により、創薬シーズの化合物ライブリーとしてsigma 2 ligandと呼ばれる化合物群を無償で供与することが出来た。これらを用いて、PGRMC1に対する薬剤スクリーニングによっていくつかの候補化合物を得ている(Pharmacol. Res., 2017)。そこで、これら候補化合物の誘導体化や、細胞レベル、マウス個体レベルにおける機能解析の費用を次年度に繰り越して計上することとした。

Expenditure Plan for Carryover Budget

上記のように、平成２８年度はPGRMC1に結合して作用する低分子化合物の選定を行い、いくつかの候補を得ている。PGRMC1の構造情報と化合物の結合様式を検証することにより、薬剤の最適化を行って、PGRMC1の癌などに関わる作用の制御について評価を進める予定である。このため、平成２９年度は、これら候補化合物の誘導体化や、その作用メカニズムの解明のための受託解析費用、消耗品費用を計上して研究を推進する予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Bari(Italy)
  • Country Name: Italy
  • Counterpart Institution: University of Bari
• [Int'l Joint Research] University of Southern California,(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Southern California,
• [Journal Article] Quiescence of adult oligodendrocyte precursor cells requires thyroid hormone and hypoxia to activate Runx1. (2017)
  • Author(s): Tokumoto Y, Tamaki S, Kabe Y, Takubo K, Suematsu M
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Pages: 1019
  • DOI: 10.1038/s41598-017-01023-9.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Stearoyl-CoA Desaturase Promotes Liver Fibrosis and Tumor Development in Mice via a Wnt Positive-Signaling Loop by Stabilization of Low-Density Lipoprotein-Receptor-Related Proteins 5 and 6. (2017)
  • Author(s): Lai KK, Kweon SM, Chi F, Hwang E, Kabe Y, Higashiyama R, Qin L, Yan R, Wu RP, Fujii N, French S, Xu J, Wang JY, Murali R, Mishra L, Lee JS, Ntambi JM, Tsukamoto H.
  • Journal Title: Gastroenterology Volume: S0016-5085 Pages: 300081
  • DOI: 10.1053/j.gastro.2017.01.021.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Somatic KCNJ5 mutation occurring early in adrenal development may cause a novel form of juvenile primary aldosteronism. (2017)
  • Author(s): Tamura A, Nishimoto K, Seki T, Matsuzawa Y, Saito J, Omura M, Gomez-Sanchez CE, Makita K, Matsui S, Moriya N, Inoue A, Nagata M, Sasano H, Nakamura Y, Yamazaki Y, Kabe Y, Mukai K, Kosaka T, Oya M, Suematsu S, Nishikawa T.
  • Journal Title: Mol Cell Endocrinol. Volume: 441 Pages: 134-139
  • DOI: 10.1016/j.mce.2016.07.031.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sigma-2 receptor and progesterone receptor membrane component 1 (PGRMC1) are two different proteins: Proofs by fluorescent labeling and binding of sigma-2 receptor ligands to PGRMC1. (2016)
  • Author(s): Pati ML, Groza D, Riganti C, Kopecka J, Niso M, Berardi F, Hager S, Heffeter P, Hirai M, Tsugawa H, Kabe Y, Suematsu M, Abate C.
  • Journal Title: Pharmacological Research Volume: 117 Pages: 67-71
  • DOI: 10.1016/j.phrs.2016.12.023.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Immunohistochemistry of aldosterone synthase leads the way to the pathogenesis of primary aldosteronism. (2016)
  • Author(s): Nishimoto K, Koga M, Seki T, Oki K, Gomez-Sanchez EP, Gomez-Sanchez CE, Naruse M, Sakaguchi T, Morita S, Kosaka T, Oya M, Ogishima T, Yasuda M, Suematsu M, Kabe Y, Omura M, Nishikawa T, Mukai K.
  • Journal Title: Mol Cell Endocrinol. Volume: 441 Pages: 124-133
  • DOI: 10.1016/j.mce.2016.10.014.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cystathionine β-synthase and PGRMC1 as CO sensors. (2016)
  • Author(s): Kabe Y, Yamamoto T, Kajimura M, Sugiura Y, Koike I, Ohmura M, Nakamura T, Tokumoto Y, Tsugawa H, Handa H, Kobayashi T, Suematsu M.
  • Journal Title: Free Radic Biol Med. Volume: 99 Pages: 333-344
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2016.08.025.
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Human Adrenocortical Remodeling Leading to Aldosterone-Producing Cell Cluster Generation. (2016)
  • Author(s): Nishimoto K, Seki T, Hayashi Y, Mikami S, Al-Eyd G, Nakagawa K, Morita S, Kosaka T, Oya M, Mitani F, Suematsu M, Kabe Y, Mukai K.
  • Journal Title: Int J Endocrinol. Volume: 2016 Pages: 7834356
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Disorganized Steroidogenesis in Adrenocortical Carcinoma, a Case Study. (2016)
  • Author(s): Uchida T, Nishimoto K, Fukumura Y, Asahina M, Goto H, Kawano Y, Shimizu F, Tsujimura A, Seki T, Mukai K, Kabe Y, Suematsu M, Gomez-Sanchez CE, Yao T, Horie S, Watada H.
  • Journal Title: Endocr Pathol. Volume: 28 Pages: 27-35
  • DOI: 10.1007/s12022-016-9441-8.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Alteration of matrix metalloproteinase-3 O-glycan structure as a biomarker for disease activity of rheumatoid arthritis. (2016)
  • Author(s): Takeshita M, Kuno A, Suzuki K, Matsuda A, Shimazaki H, Nakagawa T, Otomo Y, Kabe Y, Suematsu M, Narimatsu H, Takeuchi T.
  • Journal Title: Arthritis Res Ther. Volume: 18 Pages: 112
  • DOI: 10.1186/s13075-016-1013-2.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Haem-dependent dimerization of PGRMC1/Sigma-2 receptor facilitates cancer proliferation and chemoresistance. (2016)
  • Author(s): Kabe Y, Nakane T, Koike I, Yamamoto T, Sugiura Y, Harada E, Sugase K, Shimamura T, Ohmura M, Muraoka K, Yamamoto A, Uchida T, Iwata S, Yamaguchi Y, Krayukhina E, Noda M, Handa H, Ishimori K, Uchiyama S, Kobayashi T, Suematsu M.
  • Journal Title: Nat Commun. Volume: 7 Pages: 11030
  • DOI: doi: 10.1038/ncomms11030.
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] CO-CBS-H2 S Axis: From Vascular Mediator to Cancer Regulator. (2016)
  • Author(s): Suematsu M, Nakamura T, Tokumoto Y, Yamamoto T, Kajimura M, Kabe Y.
  • Journal Title: Microcirculation. Volume: 23 Pages: 183-190
  • DOI: 10.1111/micc.12253.
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 新規ガス受容体PGRMC1の構造的機能制御の解明 (2016)
  • Author(s): 加部泰明
  • Organizer: 第89回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-27
• [Presentation] 新規ガス受容体PGRMC1の構造的機能制御の解明 (2016)
  • Author(s): 加部泰明
  • Organizer: 日本プロテオーム学会2016年大会
  • Place of Presentation: 北里大学白金キャンパス
  • Year and Date: 2016-07-27 – 2016-07-28