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2018 Fiscal Year Research-status Report

Regulation of glutathione production by sulfuration induced by polysulfide/hydrogen sulfide

Research Project

Project/Area Number 17K08613
Research InstitutionNational Center of Neurology and Psychiatry

Principal Investigator

木村 由佳  国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター, 神経研究所, 科研費研究員 (60425692)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords亜硫酸 / 硫化水素 / ポリサルファイド / 酸化ストレス / グルタチオン / システイン / MPST / 過硫化
Outline of Annual Research Achievements

硫化水素(H2S)およびH2Sに硫黄が直鎖状に結合したポリサルファイド(H2Sn、n≧2)は、様々な組織で多様な作用を発揮する新規シグナル分子である。
統合失調症モデルマウスMpst(3-メルカプトピルビン酸硫黄転移酵素)KO及びMpst Tgマウス脳での検討から、MPSTがH2SやH2Snを生合成し、この作用が結合型イオウの増加として観測されることを明らかにした(理研との共同)。しかし、統合失調症患者脳検体のMPST量は、コントロール脳と有意差が認められなかった(理研・福島医大との共同)。
H2SやH2Snの酸化産物である亜硫酸が、両物質より低濃度/同等濃度で神経細胞保護作用を持つこと、これが細胞内グルタチオン(GSH)レベル上昇による抗酸化機能亢進によることを見いだした。亜硫酸はH2SやH2Snの3倍以上の効率でシスチンをシステインに変換する。システインは速やかに細胞に取込まれGSH合成に利用され細胞保護効果を発揮することが分かった(Kimura Y et al, Br.J.Pharmacol. 2018)。H2Sを細胞外液(培地)に添加すると30分程度でその大部分が消失する。高濃度グルタミン酸誘発性酸化ストレスは、その発現に時間がかかり細胞死が顕著となるのはグルタミン酸添加20時間後である。そのため、直ぐに消失するH2Sがどうやって酸化ストレスから細胞を保護するのかという疑問は論文(Kimura Y & Kimura H,2004; Kimura Y et al, 2006))発表当初から筆者らが抱いていた疑問であった。今回得られた結果から、細胞外液に加えたH2Sが、H2Snや亜硫酸に酸化され、それぞれが抗酸化ストレス効果を及ぼすため長時間の細胞保護作用が可能であることがわかった。このように酸化、代謝を含めた観点から含硫化合物の生理作用を検討する重要性が喚起された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

MPST KO、MPST Tgマウス脳での検討から、MPSTがH2SやH2Snを生合成し、この作用が結合型イオウの増加として観測されることを明らかにした。これは今まで本研究室が培養細胞で見いだした知見をin vivoの系で再確認するものであった。
H2S、H2Snの酸化産物である亜硫酸が、両物質より低濃度/同等濃度で神経細胞保護作用を示すことを明らかにした。これは亜硫酸がシスチンをシステインへと効率的に変換するため細胞内システインレベルが上昇し、結果としてGSHレベルが上昇するためであった(Kimura Y et al, Br. J. Pharmacol. 2018)。H2S、H2Snも細胞内GSHを上昇させるが、そのメカニズムは亜硫酸とは異なり、含硫化合物が硫黄の価数、構造の違い等により多彩な作用機構をもつことを再確認した。
研究の結果は、論文4報にまとめ、国際学会3件(うち招待講演2件)、国内学会8件で方向した。
このようにおおむね順調に研究が進展している。

Strategy for Future Research Activity

昨年度から進めていた3MPST遺伝子改変ラットからのホモラット(MPST-KO)系統の確立が完了し、ホモラットが安定して得られるようになった。筆者らが報告したようにMPSTはH2S、H2Sn、システインパーサルファイド(Cys-SSH)、グルタチオンパーサルファイド(GSSH)等の過硫化分子の産生を担う酵素である。本年度のMPST-KO、MPST-Tg動物の解析より、過硫化分子を含む結合型硫黄のレベルが、MPSTの発現レベルに依存することが明らかとなった。今後はMPST KOラットを用いて、過硫化分子の産生、生物作用に対するMPSTの関与を詳細に検討していきたい。
また本研究室で作成したTRPA1-KOラットとMPST-KOの交配より、MPSTとTRPA1ダブルKOラットの作成中である。H2SnはアストロサイトにおいてTRPA1チャネルを活性化させて細胞内Ca2+濃度を上昇させる。H2S、H2Snなどの過硫化分子の産生酵素である3MPSTと、H2SnをリガンドとするTRPA1チャネルの両方のKO、つまりリガンドと受容体のKOラットの解析により、生体レベル、細胞レベルでのH2S、H2SnとTrpa1チャネルの関係を詳細に検討していきたい。

Causes of Carryover

本年度はTRPA1 KOラットとMPST KOラット系統の確立と凍結胚作成が終了した。生まれた仔ラットの遺伝子型決定のためのシーケンス(外注)に約38万、凍結胚作成に約74万使用した。またHPLCのサンプル冷却装置の修理に約25万使用した。これだけでも総額137万と、1年間に交付される科研費金額を超えているが、昨年度からの繰越金が多かったために来年度への繰越金が生じた。
現在、TRPA1とMPSTのダブルKOラットの系統を確立中であり、ラットの飼育費、遺伝子型決定のためのPCR消耗品、プライマー、酵素、シーケンス(外注)費用が必要である。ダブルKOラット確立後は凍結胚作成を外注する予定である。得られたKOラットは生化学実験、行動実験、ウェスタン解析、HPLC解析等に使用する。そのため実験消耗品、抗体、試薬、メタノール等が必要である。

  • Research Products

    (15 results)

All 2020 2019 2018

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Signalling by hydrogen sulfide and polysulfides via protein S-sulfuration.2020

    • Author(s)
      Kimura H.
    • Journal Title

      Br J Pharmacol.

      Volume: 177 Pages: 720-733

    • DOI

      10.1111/bph.14579.

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Sulfite protects neurons from oxidative stress.2019

    • Author(s)
      Kimura Y, Shibuya N, Kimura, H.
    • Journal Title

      Br. J. Pharm.

      Volume: 176 Pages: 571-582

    • DOI

      10.1111/bph.14373

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Signaling by hydrogen sulfide (H2S) and polysulfides (H2Sn) in the central nervous system.2019

    • Author(s)
      Kimura H
    • Journal Title

      Neurochem Int

      Volume: 126 Pages: 118-125

    • DOI

      10.1016/j.neuint.2019.01.027.

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Alternative pathway of H2S and polysulfides production from sulfurated catalytic-cysteine of reaction intermediates of 3-mercaptopyruvate sulfurtransferase.2018

    • Author(s)
      Nagahara, N., Koike, S., Nirasawa, T., Kimura, H., Ogasawara, Y.
    • Journal Title

      Biochem. Biophys. Res. Commun.

      Volume: 496 Pages: 648-653

    • DOI

      org/10.1016/j.bbrc.2018.01.056.

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Hydrogen sulfide (H2S) and Polysulfides (H2Sn) Signaling Though S-sulfuration of Target Proteins” Ventura,2019

    • Author(s)
      Hideo Kimura
    • Organizer
      Gordon Research Conference “Gasotransmitter Cooperation: Chemistry, Physiology and Pathology”
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Signaling molecules hydrogen sulfide (H2S), polysulfides (H2Sn) and sulfite H2SO32019

    • Author(s)
      木村英雄
    • Organizer
      第92回日本薬理学会年会
  • [Presentation] 亜硫酸は酸化ストレスから神経細胞を保護する2019

    • Author(s)
      木村由佳、渋谷典広、木村英雄
    • Organizer
      第92回日本薬理学会年会
  • [Presentation] 生理活性物質硫化水素とポリサルファイドの産生と機能2019

    • Author(s)
      渋谷典広、小池 伸、木村由佳、宮本 亮、小笠原裕樹、木村英雄
    • Organizer
      第92回日本薬理学会年会
  • [Presentation] 「Signaling by hydrogen polysulfides (H2Sn) produced by the chemical interaction between hydrogen sulfide (H2S) and nitric oxide (NO).」シンポジウム 「NO研究の最近の動向」2019

    • Author(s)
      木村英雄
    • Organizer
      第92回日本薬理学会年会
  • [Presentation] Hydrogen sulfide (H2S) and polysulfides (H2Sn) signaling through persulfuration of target proteins.2018

    • Author(s)
      Hideo Kimura,
    • Organizer
      5th World Congress on Hydrogen Sulfide in Biology and Medicine. Plenary Lecture.
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Hydrogen sulfide (H2S) and Polysulfides (H2Sn) as signaling molecules.2018

    • Author(s)
      Hideo Kimura
    • Organizer
      WCP2018 Kyoto
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 3-mercaptopyruvate sulfurtransferase produces potential redox regulators cysteine- and glutathione-persulfide (Cys-SSH and GSSH) together with signaling molecules H2S2, H2S3 and H2S.2018

    • Author(s)
      Kimura Y, Koike S, Shibuya N, Lefer D, Ogasawara Y Kimura H
    • Organizer
      The 41th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society.
  • [Presentation] Hydrogen sulfide and polysulfides as signaling molecules-biosynthesis and function-2018

    • Author(s)
      Kimura H, Kimura Y, Koike S, Shibuya N, Lefer D, Nagahara N, Hanaoka K, Urano Y, Ogasawara Y.
    • Organizer
      The 41th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society.
  • [Presentation] The production and role of hydrogen sulfide and hydrogen polysulfides in mammalian cells.2018

    • Author(s)
      Shibuya N, Koike S, Miyamoto R, Kimura Y, Hanaoka K, Nagahara N, Urano Y, Ogasawara Y, Kimura H.
    • Organizer
      The 41th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society.
  • [Presentation] 活性硫黄種の新展開―硫化水素から過硫化物までー オーガナイザー「硫化水素(H2S)とポリサルファイド(H2Sn)によるシグナル伝達と過硫化タンパク」2018

    • Author(s)
      木村英雄
    • Organizer
      第91回日本生化学会大会

URL: 

Published: 2019-12-27  

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