Molecular analysis of the proteasome gene expression and its application to anti-aging.

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H03265
• Research Institution: Doshisha University
• Principal Investigator: 小林 聡 同志社大学, 生命医科学部, 教授 (50292214)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 和久 剛 同志社大学, 生命医科学部, 助教 (40613584) ; 依馬 正次 滋賀医科大学, 動物生命科学研究センター, 教授 (60359578)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 転写 / タンパク質分解 / プロテアソーム / アンチエイジング

Outline of Annual Research Achievements

老化の原因の１つとして、タンパク質分解酵素プロテアソームの機能低下があげられる。プロテアソーム活性が低下すると、変性タンパク質が蓄積し細胞機能が破綻する。したがってプロテアソーム発現を維持できれば老化予防（アンチエイジング）が可能になる。しかしながら、これまでプロテアソームの発現機構やその転写因子すら解明できていなかった。最近申請者らは、この問題を解明する基礎データとして、転写因子Nrf1がプロテアソームの誘導的発現を制御していることを見出した(Mol Cell Biol (2011))。つまりNrf1の活性を制御することで、加齢に応じたプロテアソーム活性の低下を抑制し、ひいてはアンチエイジングをもたらすことが強く期待される。
ところでNrf1は通常小胞体にアンカーされ核移行が阻害されていることから、転写因子としての機能は阻害されている。したがってNrf1は誘導的転写因子であり、それゆえにプロテアソームの発現を誘導的に制御するわけである。しかしNrf1がどのような刺激で活性化し核移行するのか、どのようにプロテアソーム遺伝子を発現制御するのかは不明である。さらにNrf1を誘導することで加齢に応じたプロテアソーム活性を相補できるのか、マウス個体レベルでは検証されていない。そこで以上の観点から、本研究では下記の問題について解析する。
（１）細胞レベルでのNrf1によるプロテアソーム誘導のアンチエイジング効果の検証
（２）プロテアソーム誘導を引き起こすNrf1活性化機構の解明とNrf1活性化物質の同定
（３）マウス個体レベルでの加齢に応じたプロテアソーム活性低下とNrf1の機能連関

Current Status of Research Progress

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

Reason

現在までに、Nrf1によるプロテアソーム遺伝子の発現機構について、いくつか解明されつつある。
（１）Nrf1活性化機構の解析
通常Nrf1は小胞体にアンカーされており核移行が阻害されることで、転写因子としての機能が抑制されている。したがってNrf1が核移行するためのメカニズムならびにNrf1の核移行をもたらす活性化シグナルが存在するはずである。最近、Nrf1が核移行するためにはタンパク質切断酵素DDI2が必要であるという報告がなされたが（Koizumi (2016) eLife)、実際その追試に成功した。さらにDDI2によるNrf1の切断には、ユビキチン結合酵素HRD1によるNrf1のユビキチン化が必要である可能性を見出した。したがってNrf1がDDI2によるタンパク質切断を受けて核移行するためには、Nrf1のユビキチン化後にDDI2により切断を受けるか、あるいはプロテアソームによりタンパク質分解されるのかという制御メカニズムが存在する可能性を見出した。
（２）Nrf1による遺伝子発現機構の解析
Nrf1によるプロテアソーム発現機構を解明する目的で、網羅的にNrf1結合因子を同定するプロテオーム解析を行い、エピジェネティック制御因子HCF1を同定した。さらにHCF1がNrf1によるプロテアソームの発現に関わることを、RNA干渉法のノックダウン実験で確認した。ところで、プロテアソームは３３サブユニットから構成される巨大タンパク質複合体であり、これらは３３遺伝子座から転写されるという特徴をもつ。これだけの多数の遺伝子群を同時に過不足なく発現制御するためには、一般的な転写制御機構をは異なるメカニズムの存在が想起される。このメカニズムにHCF1によるエピジェネティック制御が存在すると仮説を立て、今後研究を進めていく予定である。

Strategy for Future Research Activity

タンパク質分解に関わるプロテアソームの誘導的発現を転写因子Nrf1が制御していることは、これまでの解析からほぼ確実となっている。そこで今後は以下の課題について取り組む予定である。
（１）Nrf1の活性化機構の解明とNrf1活性化物質の同定
Nrf1の活性化機構にDDI2とHRD1が関与することが明らかになったので、さらなる詳細な分子メカニズムを解明する。DDI2のタンパク質切断の活性制御機構を解明する目的で、DDI2結合因子を同定するプロテオーム解析をすでに開始している。また最近、遺伝学的解析から、UBXD8とNGLY1がNrf1の制御に関わる可能性が報告されている（Koizumi (2016) eLife, Wang (2017) Cell)。これら関与遺伝子を網羅的に同定した上で、個々の分子作用を解明することで、Nrf1の活性化機構を解明する予定である。
（２）マウス個体レベルでの加齢に応じたプロテアソーム活性低下とNrf1の機能連関
以上の解析は細胞レベルの解析であるため、マウス個体レベルの解析を開始し、表記のタイトルの課題について解析を行う。

Research Products

• [Journal Article] The cysteine-rich domain of TET2 binds preferentially to mono- and dimethylated histone H3K36. (2017)
  • Author(s): Yamagata K, and Kobayashi A.
  • Journal Title: J Biochem. Volume: 161 Pages: 327-330
  • DOI: 10.1093/jb/mvx004.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Possible roles of the transcription factor Nrf1 (NFE2L1) in neural homeostasis by regulating the gene expression of deubiquitinating enzymes. (2017)
  • Author(s): Taniguchi, H., Okamuro, S., Kohji, M., Waku, T., Kubo, K., Hatanaka, A., Sun, Y., A M Chowdhury, AM A., Fukamizu, A., Kobayashi, A.
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun. Volume: 484 Pages: 176-183
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2017.01.038.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] USP15 stabilizes the transcription factor Nrf1 in the nucleus, promoting the proteasome gene expression. (2016)
  • Author(s): Fukagai, K., Waku, T., Chowdhury, AM., Kubo, K., Matsumoto, M., Kato, H., Natsume, T., Tsuruta, F., Chiba, T., Taniguchi, H., Kobayashi, A.
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun. Volume: 478 Pages: 363-370
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2016.07.045.
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] NML-mediated rRNA base methylation links ribosomal subunit formation to cell proliferation in a p53-dependent manner. (2016)
  • Author(s): Waku, T., Nakajima, Y., Yokoyama, W., Nomura, N., Kako, K., Kobayashi, A., Shimizu, T., Fukamizu, A.
  • Journal Title: J Cell Sci. Volume: 129 Pages: 2382-2393
  • DOI: 10.1242/jcs.183723.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 遺伝子発現の変調によるガン進展メカニズム解明 (2017)
  • Author(s): 和久 剛
  • Organizer: 第五回 四私大合同生命科学シンポジウム ”数理・情報による生命科学の新たな潮流”
  • Place of Presentation: 関西学院（兵庫県・西宮市）
  • Year and Date: 2017-03-07
• [Presentation] トランスクリプトームデータを用いた相関解析によるガン関連遺伝子群の同定 (2017)
  • Author(s): 孫 宣蒙
  • Organizer: 第五回 四私大合同生命科学シンポジウム ”数理・情報による生命科学の新たな潮流”
  • Place of Presentation: 関西学院（兵庫県・西宮市）
  • Year and Date: 2017-03-07
• [Presentation] 転写因子NRF3はプロテアソーム発現亢進を介してp53依存的なガン抑制シグナルを阻害する (2017)
  • Author(s): 和久 剛、小林 聡
  • Organizer: 転写研究会・新学術領域「転写サイクル」共催 冬の若手ワークショップ2017
• [Presentation] エピジェネティック制御因子HCF-1を介した転写因子NRF1のプロテアソーム発現機構の解析 (2016)
  • Author(s): 松本麻莉子、山形一行、北川大祐、谷口浩章、土谷佳樹、小林聡
  • Organizer: 第39回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 横浜みなとみらい21（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-11-30 – 2016-12-02
• [Presentation] 転写因子NRF3はガン細胞の20Sプロテアソーム発現を制御する (2016)
  • Author(s): 鎌田七海、畠中惇至、糀美早紀、和久剛、小林聡
  • Organizer: 第39回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 横浜みなとみらい21（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-11-30 – 2016-12-02
• [Presentation] 転写因子NRF3によるガン細胞におけるプロテアソーム発現機構 (2016)
  • Author(s): 田中裕也、○鎌田七海、和久剛、小林聡
  • Organizer: 第89回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-27
• [Presentation] 転写因子NRF1の活性化メカニズムにおけるシグナルペプチダーゼSEC11Aの機能解析 (2016)
  • Author(s): 畠中惇至、和久剛、谷口浩章、小林聡
  • Organizer: 第89回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-27
• [Presentation] 転写因子NRF3はp53依存的なガン細胞の増殖抑制を阻害する (2016)
  • Author(s): 和久剛、加藤裕紀、渡辺秀教、岩成宏子、辰巳千夏、畠中惇至、浜窪隆雄、小林聡
  • Organizer: 第89回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-27
• [Presentation] 転写因子NRF1のOGT-HCF-1複合体を介した分解制御機構 (2016)
  • Author(s): 関根弘樹, 加藤幸一郎, 福田愛菜, 鈴木教郎, 岡崎慶斗, Md. Morshedul Alam, 辻田忠志, 小林聡, 山本雅之, 本橋ほづみ
  • Organizer: 第89回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-27
• [Presentation] Cysteine rich domain of TET2 protein as a reader of histone H3 K36 mono and di methylation. (2016)
  • Author(s): Kazuyuki Yamagata, Hiroshi Kimura, Akira Kobayashi and Yang Shi.
  • Organizer: 第89回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-27
• [Presentation] 白血病で高頻度に変異の起こるTET2のCRドメインはヒストン修飾を認識する (2016)
  • Author(s): 山形一行、木村宏、小林聡、Yang Shi.
  • Organizer: 平成28年度新学術領域研究「学術研究支援基盤形成【先端モデル動物支援プラットフォーム】若手支援技術講習会
  • Place of Presentation: 蓼科グランドホテル滝の湯 (長野県・茅野市）
  • Year and Date: 2016-09-14 – 2016-09-16
• [Presentation] 白血病で高頻度に変異の起こるTET2のCRドメインはヒストン修飾を認識する (2016)
  • Author(s): 山形一行、木村宏、小林聡、Yang Shi.
  • Organizer: 第4回がんと代謝研究会
  • Place of Presentation: 鹿児島県民交流センター（鹿児島県・鹿児島市）
  • Year and Date: 2016-07-07 – 2016-07-08
• [Presentation] The HRD1-NRF3 axis regulates the proliferation of colon cancer cells by inducing the UHMK1 gene expression. (2016)
  • Author(s): AM Masudul Azad Chowdhury, Hiroki Kato, Tsuyoshi Waku, Akira Kobayashi
  • Organizer: Targeting Cancer: 81st Cold Spring Harbor Symposium.
  • Place of Presentation: Cold Spring harbor (USA)
  • Year and Date: 2016-06-01 – 2016-06-06
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 同志社大学遺伝情報研究室ホームページ
  • URL: http://akobayas.wixsite.com/genetic-code-lab
• [Patent(Industrial Property Rights)] 抗がん剤 (2017)
  • Inventor(s): 和久剛、小林聡、加藤裕紀、糀美早紀、渡辺秀教
  • Industrial Property Rights Holder: 和久剛、小林聡、加藤裕紀、糀美早紀、渡辺秀教
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: PCT/JP2017/010445
  • Filing Date: 2017-03-15
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 抗がん剤 (2016)
  • Inventor(s): 和久剛、小林聡、加藤裕紀、渡辺秀教
  • Industrial Property Rights Holder: 和久剛、小林聡、加藤裕紀、渡辺秀教
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2016-230449
  • Filing Date: 2016-11-28