2017 Fiscal Year Annual Research Report
水酸化オミクス解析を駆使した低酸素応答による代謝制御機構の全貌解明
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16H04723
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
南嶋 洋司 九州大学, 生体防御医学研究所, 特任准教授 (20593966)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
菱木 貴子 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 講師 (10338022)
久保 亜紀子 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 特任講師 (50455573)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 低酸素応答 / 代謝 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
利用出来る酸素が少ない環境（低酸素環境）に直面したときの生体の防御反応（低酸素応答）は、（頸動脈小体における呼吸調節や、肺・脳における血管の拡張/収縮のような秒単位・分単位での応答反応を除くと）主に転写因子HIFによって制御されているが、そのHIFも自身の-サブユニット(HIF)の特定のプロリン残基がプロリン水酸化酵素PHD (α-ケトグルタル酸依存的dioxygenase)によって水酸化されることで蛋白分解へと導かれる。すなわち、HIFを介した低酸素応答はプロリン残基の水酸化によって制御されていると言える。
このPHDの他にも、我々の身体の細胞内には酸素添加酵素 (oxygenase)が多数存在する。これらの酵素は、それぞれ酸素に対するKm値にこそ差はあるものの、酸素濃度が低下すると酵素活性が低下するのだが、これは即ち、PHDだけに限らず、これらの酸素添加酵素 (oxygenase) の何れもが“低酸素センサー”として機能していると言うことができる。
代表的な低酸素センサーであるPHDを阻害すると、転写因子HIF依存的低酸素応答の活性化が観察されるが、申請者の予備実験の結果、よく知られている「PHD-HIF依存的な低酸素応答」以外に、「PHD依存的だがHIF非依存的な低酸素応答」や、ヒストン脱メチル化酵素KDM、DNA脱メチル化酵素TETなどの酸素添加酵素 (oxygenase)のように「PHD非依存的な低酸素応答」が、細胞内エネルギー代謝制御において重要な役割を果たしていることが明らかとなりつつある。
今まではPHD-HIFで全て説明されてきた感のある低酸素応答の分子メカニズムではあったものの、本研究では、“HIF依存的/非依存的を問わず、低酸素に対する応答反応の全貌を、低酸素による細胞内の水酸化反応”に焦点を合わせて解き明かすことを目標としている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
水酸化酵素の反応は低酸素によって抑制されるため、正常酸素濃度環境下で酸素を利用して水酸化されているペプチド断片の質量は、水酸化されていないペプチド断片と比較して、水酸化されたアミノ酸1残基につき酸素原子1つ分の原子量16だけ大きい。すなわち、この水酸化反応が抑制される低酸素環境化において、質量が16減ったペプチド断片は、酸素を利用して水酸化されていた（＝低酸素によって水酸化が低下する）ことになる。
ところが、proline残基のように細胞内で酵素によって水酸化されるアミノ酸残基は低酸素応答の指標となり得るが、methionine残基のようにサンプル調製の間に非酵素学的に酸素原子が添加されて酸化されてしまうアミノ酸の存在が、この実験系において無視出来ないことも解ってきた。
そのため、細胞の酸素濃度に関係無く自然酸化されるアミノ酸を、細胞内で水酸化酵素によって水酸化されるアミノ酸残基とを区別する実験系を構築する必要に迫られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、サンプル調整の過程で生じるartificialな水酸化（酸化）によって正確な低酸素応答全貌の把握が妨げられることを防ぐ。そのために、細胞内で水酸化酵素によって酸素濃度依存的に生じた水酸化修飾を保護器によって置換したのちに、サンプルを調製することで、生理的な水酸化反応のみを抽出・凝集する実験系の構築に注力する。
そののちに、低酸素応答によって水酸化修飾が抑制されるペプチド（＝低酸素応答性ペプチド）を網羅的に同定し、プロジェクトの目標達成へと迫る。
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