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2017 Fiscal Year Annual Research Report

Regulation of redox signaling by reactive sulfur species in nervous system

Research Project

Project/Area Number 16H04674
Research InstitutionOsaka Prefecture University

Principal Investigator

居原 秀  大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (60254447)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 澤 智裕  熊本大学, 大学院生命科学研究部(医), 准教授 (30284756)
中嶋 秀満  大阪府立大学, 生命環境科学研究科, 准教授 (30405360)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords活性イオウ分子種 / レドックッスシグナル / 細胞内情報伝達
Outline of Annual Research Achievements

システインパースルフイドなどの”活性イオウ分子種”は、活性酸素、レドックスシグナルを制御する分子種として注目されているが、神経系においての知見はほとんどない。本申請研究では、神経系における活性イオウ分子の代謝、レドックスシグナル制御機構を解明し、さらに神経変性疾患モデルを用いて発症メカニズムとの関連を明らかにすることを目的としている。
活性イオウメタボロミクス解析法を改良し、生体内における活性イオウ分子種の代謝経路を解析した。一連の研究で、生体内におけるシステインパーサルファイドの生合成を担う酵素としてシステイニルtRNA合成酵素を同定し、さらに哺乳動物のミトコンドリアで活性イオウ分子種を電子受容体とするイオウ呼吸が存在することを明らかにした(Nat. Commun.,2017) 。
神経変性の細胞モデル実験として、ラット小脳ニューロンを用いてメチル水銀毒性の分子メカニズムを解析した。メチル水銀は、レドックスシグナル二次分子である8-ニトロ-cGMPの産生を促進すること、8-ニトロ-cGMPが低分子GTP結合タンパク質H-Rasを活性化し、H-Ras/MAPK/細胞死シグナルを活性化することを明らかにした。また、メチル水銀は、活性イオウ分子種を枯渇させ、8-ニトロ-cGMPを介した毒性シグナルを増強していること、外因性の活性イオウドナーが毒性を軽減することを明らかにした(Chem. Res. Toxicol.,2017)。
さらに、アルツハイマー病の原因物質であるアミロイドベータペプチドによる細胞毒性モデルにおいて、アミロイドベータ処理により細胞内活性イオウ分子種レベルが減少すること、外因性の活性イオウ分子ドナーがアミロイドベータ毒性を軽減することを明らかにした(第17回日本NO学会学術集会、投稿準備中)。
また、新規の活性イオウ分子種解析用アルキル化剤の合成に成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究計画として平成29年度以降は、①神経細胞特異的遺伝子ノックダウン-レスキュー実験、②アミロイドベータを用いた神経毒性試験、③アルツハイマー病モデルマウスを用いた解析を予定していた。
①に関しては、試薬購入後、予備的検討を行っていたが、生体内における活性イオウ分子種の代謝経路を解析する過程で、活性イオウ分子代謝に重要な遺伝子を同定し、遺伝子改変マウス(活性イオウ代謝異常マウス)の作製に成功した(Nat. Commun.,2017)ので、この活性イオウ代謝異常マウスを以後の「神経変性と活性イオウ分子の関連」の解析に用いる。
②に関しては、細胞レベルで、アミロイドベータ処理により細胞内活性イオウ分子種レベルが減少すること、外因性の活性イオウ分子ドナーがアミロイドベータ毒性を軽減することを明らかにしている。
③に関しては、Oddoら(Neuron, 2003)により作製されたプレセニリン1変異(PSEN1 M146V)、スウェーデン型アミロイドベータ前駆蛋白変異体(APP Swedish)とタウ変異体(Tau P301L)の遺伝子導入による遺伝子改変アルツハイマー病モデルマウス(3xTG-ADマウス)を用いる予定していたが、表現型(グリオーシス、老人斑など)が現れるに時間がかかるため、より早く表現型が現れる5xFADマスス(APP Swedish+Florida+London 変異とプレセニリン1 M146V+L286V 変異)に変更した。

Strategy for Future Research Activity

正常マウス、活性イオウ代謝異常マウスを用いて、アルツハイマー病様症状を誘発させ、神経細胞死、グリオーシスなどの毒性評価と活性イオウ分子解析を行い、個体レベルでのアミロイドベータ毒性と活性イオウ分子種との関連を明らかにする。アルツハイマー病様症状の誘発は、分担研究者の中嶋が開発したグリセルアルデヒド3リン酸(GAPDH)シード-アミロイドベータ凝集体の側脳室投与により行う(J. Biol. Chem. 2015)。すなわち、大腸菌内で発現させたGAPDHを精製し、酸化ストレス下で凝集させシード(種)とする。このGAPDHシードにアミロイドベータを加え、GAPDHシード-アミロイドベータ凝集体を作製し、マウス側脳室に投与する。
遺伝子改変アルツハイマー病モデルマウス(5 x FAD)を用いて、行動評価、脳病理評価(免疫組織染色、老人班の形成、グリオーシスなど)を行い、同時に活性イオウ分子種-メタボロミクス解析を行い、アルツハイマー病の発症・進行と活性イオウ分子種との関連性を明かにする。
また、新規のアルキル化剤の合成に成功したので、酸化型グルタチオンポリスルフィドをモデル化合物として用いて、従来のアルキル化剤との反応性を比較するとともに、活性イオウ分子種の解析に適したアルキル化条件を検討する。

  • Research Products

    (24 results)

All 2018 2017

All Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 1 results) Presentation (17 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Involvement of nitric oxide/reactive oxygen species signaling via 8-nitro-cGMP formation in 1-methyl-4-phenylpyridinium ion-induced neurotoxicity in PC12 cells and rat cerebellar granule neurons2018

    • Author(s)
      Masuda Kumiko、Tsutsuki Hiroyasu、Kasamatsu Shingo、Ida Tomoaki、Takata Tsuyoshi、Sugiura Kikuya、Nishida Motohiro、Watanabe Yasuo、Sawa Tomohiro、Akaike Takaaki、Ihara Hideshi
    • Journal Title

      Biochem Biophys Res Commun

      Volume: 495 Pages: 2165~2170

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2017.12.088

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 8-Nitro-cGMP Attenuates the Interaction between SNARE Complex and Complexin through S-Guanylation of SNAP-252017

    • Author(s)
      Kishimoto Yusuke、Kunieda Kohei、Kitamura Atsushi、Kakihana Yuki、Akaike Takaaki、Ihara Hideshi
    • Journal Title

      ACS Chem Neurosci

      Volume: 9 Pages: 217~223

    • DOI

      10.1021/acschemneuro.7b00363

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Cysteinyl-tRNA synthetase governs cysteine polysulfidation and mitochondrial bioenergetics2017

    • Author(s)
      Akaike T, Ida T, Wei FY, Nishida M, Kumagai Y, Alam MM, Ihara H, Sawa T, Matsunaga T, Kasamatsu S, Nishimura A, Morita M, Tomizawa K, Nishimura A, Watanabe S, Inaba K, Shima H, Tanuma N, Jung M, Fujii S, Watanabe Y, Ohmuraya M, Nagy P, Feelisch M, Fukuto JM, Motohashi H
    • Journal Title

      Nat Commun

      Volume: 8 Pages: 1177

    • DOI

      10.1038/s41467-017-01311-y

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Exposure to Electrophiles Impairs Reactive Persulfide-Dependent Redox Signaling in Neuronal Cells2017

    • Author(s)
      Ihara Hideshi、Kasamatsu Shingo、Kitamura Atsushi、Nishimura Akira、Tsutsuki Hiroyasu、Ida Tomoaki、Ishizaki Kento、Toyama Takashi、Yoshida Eiko、Abdul Hamid Hisyam、Jung Minkyung、Matsunaga Tetsuro、Fujii Shigemoto、Sawa Tomohiro、Nishida Motohiro、Kumagai Yoshito、Akaike Takaaki
    • Journal Title

      Chem Res Toxicol

      Volume: 30 Pages: 1673~1684

    • DOI

      10.1021/acs.chemrestox.7b00120

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Reactive sulfur species inactivate Ca 2+ /calmodulin-dependent protein kinase IV via S-polysulfidation of its active-site cysteine residue2017

    • Author(s)
      Takata Tsuyoshi、Ihara Hideshi、Hatano Naoya、Tsuchiya Yukihiro、Akaike Takaaki、Watanabe Yasuo
    • Journal Title

      Biochem J

      Volume: 474 Pages: 2547~2562

    • DOI

      10.1042/bcj20170092

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ferulic acid and its water-soluble derivatives inhibit nitric oxide production and inducible nitric oxide synthase expression in rat primary astrocytes2017

    • Author(s)
      Kikugawa Masaki、Ida Tomoaki、Ihara Hideshi、Sakamoto Tatsuji
    • Journal Title

      Biosci Biotechnol Biochem

      Volume: 81 Pages: 1607~1611

    • DOI

      10.1080/09168451.2017.1336925

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 8-Nitro-cGMP promotes bone growth through expansion of growth plate cartilage2017

    • Author(s)
      Hoshino Marie、Kaneko Kotaro、Miyamoto Yoichi、Yoshimura Kentaro、Suzuki Dai、Akaike Takaaki、Sawa Tomohiro、Ida Tomoaki、Fujii Shigemoto、Ihara Hideshi、Tanaka Junichi、Tsukuura Risa、Chikazu Daichi、Mishima Kenji、Baba Kazuyoshi、Kamijo Ryutaro
    • Journal Title

      Free Radic Biol Med

      Volume: 110 Pages: 63~71

    • DOI

      10.1016/j.freeradbiomed.2017.05.022

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 安定同位体イオウで標識されたシステイン誘導体の合成と活性イオウメタボロームの構築2017

    • Author(s)
      小野勝彦、ジョンミンキョン、張田力、津々木博康、居原秀、瀬崎浩史、赤池孝章、澤智裕
    • Organizer
      第17回日本NO学会学術集会
  • [Presentation] ニコチン性アセチルコリン受容体を介した細胞内信号系におけるNO合成酵素とそのSer847リン酸化修飾の意義2017

    • Author(s)
      土屋幸弘 、丹澤夏実、高田剛、居原秀、渡邊泰男
    • Organizer
      第17回日本NO学会学術集会
  • [Presentation] 酸化ストレスに対する細胞内カルノシンの神経保護効果2017

    • Author(s)
      山陰茜、垣花優希、柴田貴広、内田浩二、居原秀
    • Organizer
      第17回日本NO学会学術集会
  • [Presentation] 活性硫黄分子種によるアミロイドβ毒性の制御機構2017

    • Author(s)
      松原実咲、赤池孝章、居原秀
    • Organizer
      第17回日本NO学会学術集会
  • [Presentation] 活性イオウ分子によるカルモデュリンキナーゼIVのポリスルフィド化とその意義2017

    • Author(s)
      高田剛、居原秀、土屋幸弘 、赤池孝章、渡邊泰男
    • Organizer
      第17回日本NO学会学術集会
  • [Presentation] アルコールデヒドロゲナーゼ5の酵素活性制御におけるタンパク質ポリサルファ化機能2017

    • Author(s)
      井田智章、笠松真吾、Morshedul Alam、守田匡伸、居原秀、西村明 、松永哲郎 、藤井重元、本橋ほづみ、赤池孝章
    • Organizer
      第17回日本NO学会学術集会
  • [Presentation] 酸化ストレスに依存して酸化イミダゾールジペプチドが産生される2017

    • Author(s)
      垣花優希 、山陰茜、柴田貴広、内田浩二、居原秀
    • Organizer
      第70回日本酸化ストレス学会学術集会
  • [Presentation] 硫化水素/活性イオウ分子種を簡易検出するための抗体の作製2017

    • Author(s)
      居原秀、笠松真吾、赤池 孝章
    • Organizer
      第70回日本酸化ストレス学会学術集会
  • [Presentation] 内因性親電子シグナル経路と活性イオウ分子のクロストークと環境毒性学2017

    • Author(s)
      居原秀
    • Organizer
      第44回日本毒性学会学
    • Invited
  • [Presentation] The effect of 8-nitro-cGMP on SNARE complex2017

    • Author(s)
      岸本祐典、柳井修一、遠藤昌吾、赤池孝章、居原 秀
    • Organizer
      第60回日本神経化学会大会
  • [Presentation] S-guanylation of SNAP-25 by 8-nitro-cGMP attenuates the interaction of SNARE complex with complexin2017

    • Author(s)
      Kishimoto Y, Kunieda K, Akaike T, Ihara H
    • Organizer
      2017 ISN-ESN Meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Detection and quantification of 2-oxo-histidine-containing dipeptides2017

    • Author(s)
      Hideshi Ihara, Yuki Kakihana, Akane Yamakage, Takahiro Shibata, Koji Uchida
    • Organizer
      SFRBM 2017
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 酸化イミダゾールジペプチドの発見と生成メカニズムの解明2017

    • Author(s)
      垣花優希、居原秀、山陰茜、柴田貴広、内田浩二
    • Organizer
      ConBio2017
  • [Presentation] 親電子性物質による活性イオウ分子種依存性レドックスシグナルの破綻2017

    • Author(s)
      北村篤志、笠松真吾 、西村明、井田智章 、西田基宏、熊谷嘉人、赤池孝章、居原秀
    • Organizer
      ConBio2017
  • [Presentation] アセチルコリン受容体信号系におけるNOSによるレドックス制御の意義2017

    • Author(s)
      土屋幸弘、井出亜弓、内藤恵、丹澤夏実、高田剛、居原秀、渡邊泰男
    • Organizer
      ConBio2017
  • [Presentation] ニトロソグルタチオン還元酵素(GSNOR)選択的欠損マウスの開発2017

    • Author(s)
      松永哲郎、西村明、笠松真吾、Morshedul Alam、井田智章、守田匡伸、居原秀、藤井重元、下田 翔、西田基宏、本橋ほづみ、赤池孝章
    • Organizer
      ConBio2017
  • [Presentation] メチル水銀の新たな毒性メカニズム2017

    • Author(s)
      西村 明、西村 明幸、笠松真吾、居原 秀、松永哲郎、井田智章、守田匡伸、 藤井重元、熊谷嘉人、西田基宏、赤池孝章
    • Organizer
      第66回東北公衆衛生学会

URL: 

Published: 2018-12-17  

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