Novel reactive persulfide-producing system in bacteria and its involvement in bacterial pathogenicity

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K07099
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 藤井 重元 東北大学, 医学系研究科, 大学院非常勤講師 (00325333)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 井田 智章 東北大学, 医学系研究科, 助教 (70570406)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 細菌 / 感染防御 / オートファジー / 活性イオウ分子種 / 硫化水素

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、我々が最近発見した細菌の新規活性イオウ分子産生酵素(CARS)の機能に焦点をあて、細菌が産生する活性イオウ分子のオートファジー抑制作用と細胞内殺菌回避における役割を明らかにし病原性発現との関連を解明することを目的としている。本年度は、細菌の活性イオウ分子産生メカニズムの解析と活性イオウ分子によるオートファジー制御の解析を行った。大腸菌のシステインtRNA合成酵素(EcCARS)について質量分析(LC-MS/MS)を用いたポリスルフィド定量システムにより解析した結果、真核生物のCARSと同様に、システインを基質としてシステインパースルフィドを生成することが分かった。また、我々が既に作製しているネズミチフス菌(Salmonella Typhimurium)の主要な硫化水素(H2S)産生酵素であるチオ硫酸還元酵素(Phs)および亜硫酸還元酵素(Asr)の欠損株の活性イオウ分子の産生レベルを解析した結果、野生株と比べて各欠損株において、システインパースルフィド、グルタチオンパースルフィドをはじめとする各種活性イオウ分子産生量の有意な減少を認めた。さらに、マウスマクロファージ様RAW264.7細胞にネズミチフス菌の野生株および活性パースルフィド生成変異株を感染させ、オートファジー誘導と細胞内増殖を解析した結果、細菌由来の活性イオウ分子がオートファジーを抑制することが分かった。これらの結果から、ネズミチフス菌が産生するシステインパースルフィドなどの活性イオウ分子は、感染マクロファージ内におけるオートファジー誘導制御に重要な役割を果たしていることが示唆された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初計画で予定していた細菌の活性イオウ分子産生メカニズムの解析および活性イオウ分子種のオートファジー制御の解析について、ほぼ計画どおり実験を実施することができ、細菌由来の活性イオウ分子による介したオートファジー誘導制御の研究成果が得られた。

Strategy for Future Research Activity

研究遂行上の問題はなく、当初の研究計画は変更なく研究を推進していく予定である。また、細菌の新規活性イオウ分子産生系の生理機能解析において当初計画よりも大きな成果が得られるものと考えている。

Causes of Carryover

（理由）
実験を効率よく行うことにより、予定よりも少ない経費で当初研究計画を実施し研究成果を挙げることができたため。
（使用計画）
活性イオウ分子によるオートファジー制御機構の詳細な解析、特に新規活性イオウ分子産生系の役割についての解析等、本研究の目的達成のためのさらに詳細な解析を行うために使用する。

Research Products

• [Journal Article] The Uptake and Release of Polysulfur Cysteine Species by Cells: Physiological and Toxicological Implications. (2019)
  • Author(s): Lin J, Akiyama M, Bica I, Long FT, Henderson CF, Goddu RN, Suarez V, Baker B, Ida T, Shinkai Y, Nagy P, Akaike T, Fukuto JM, Kumagai Y.
  • Journal Title: Chem Res Toxicol Volume: 32 Pages: 447-455
  • DOI: 10.1021/acs.chemrestox.8b00340.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polysulfide stabilization by tyrosine and hydroxyphenyl-containing derivatives that is important for a reactive sulfur metabolomics analysis. (2019)
  • Author(s): Hamid HA, Tanaka A, Ida T, Nishimura A, Matsunaga T, Fujii S, Morita M, Sawa T, Fukuto JM, Nagy P, Tsutsumi R, Motohashi H, Ihara H, Akaike T.
  • Journal Title: Redox Biol Volume: 21 Pages: 101096
  • DOI: 10.1016/j.redox.2019.101096.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Production of 8-nitro-cGMP in osteocytic cells and its upregulation by parathyroid hormone and prostaglandin E2. (2019)
  • Author(s): Nagayama K, Miyamoto Y, Kaneko K, Yoshimura K, Sasa K, Akaike T, Fujii S, Izumida E, Uyama R, Chikazu D, Maki K, Kamijo R.
  • Journal Title: In Vitro Cell Dev Biol Anim Volume: 55 Pages: 45-51
  • DOI: 10.1007/s11626-018-0304-0.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Speciation of reactive sulfur species and their reactions with alkylating agents: do we have any clue about what is present inside the cell? (2019)
  • Author(s): Bogdandi V, Ida T, Sutton TR, Bianco C, Ditroi T, Koster G, Henthorn HA, Minnion M, Toscano JP, van der Vliet A, Pluth MD, Feelisch M, Fukuto JM, Akaike T, Nagy P.
  • Journal Title: Br J Pharmacol Volume: 176 Pages: 646-670
  • DOI: 10.1111/bph.14394.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The reaction of hydrogen sulfide with disulfides: formation of a stable trisulfide and implications for biological systems. (2019)
  • Author(s): Bianco CL, Akaike T, Ida T, Nagy P, Bogdandi V, Toscano JP, Kumagai Y, Henderson CF, Goddu RN, Lin J, Fukuto JM.
  • Journal Title: Br J Pharmacol Volume: 176 Pages: 671-683
  • DOI: 10.1111/bph.14372.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Persulfide synthases that are functionally coupled with translation mediate sulfur respiration in mammalian cells. (2019)
  • Author(s): Fujii S, Sawa T, Motohashi H, Akaike T.
  • Journal Title: Br J Pharmacol Volume: 176 Pages: 607-615
  • DOI: 10.1111/bph.14356.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Important role of endothelial caveolin-1 in the protective role of EDH against NO-mediated nitrative stress in microcirculation in mice. (2018)
  • Author(s): Saito H, Godo S, Sato S, Ito A, Ikumi Y, Tanaka S, Ida T, Fujii S, Akaike T, Shimokawa H.
  • Journal Title: J Cardiovasc Pharmacol. Volume: 71 Pages: 113-126
  • DOI: 10.1097/FJC.0000000000000552.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reactive Persulfides from Salmonella Typhimurium Downregulate Autophagy-Mediated Innate Immunity in Macrophages by Inhibiting Electrophilic Signaling. (2018)
  • Author(s): Khan S, Fujii S, Matsunaga T, Nishimura A, Ono K, Ida T, Ahmed KA, Okamoto T, Tsutsuki H, Sawa T, Akaike T.
  • Journal Title: Cell Chem Biol. Volume: 25 Pages: 1403-1413.e4
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2018.08.007.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Biological hydropersulfides and related polysulfides - a new concept and perspective in redox biology. (2018)
  • Author(s): Fukuto JM, Ignarro LJ, Nagy P, Wink DA, Kevil CG, Feelisch M, Cortese-Krott MM, Bianco CL, Kumagai Y, Hobbs AJ, Lin J, Ida T, Akaike T.
  • Journal Title: FEBS Lett. Volume: 592 Pages: 2140-2152
  • DOI: 10.1002/1873-3468.13090.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cysteine perthiosulfenic acid (Cys-SSOH): A novel intermediate in thiol- based redox signaling? (2018)
  • Author(s): Heppner DE, Hristova M, Ida T, Mijuskovic A, Dustin CM, Bogdandi V, Fukuto JM, Dick TP, Nagy P, Li J, Akaike T, van der Vliet A.
  • Journal Title: Redox Biol. Volume: 14 Pages: 379-385
  • DOI: 10.1016/j.redox.2017.10.006.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] チロシン・ヒドロキシフェニル基によるポリスルフィドの安定化 (2019)
  • Author(s): 井田 智章，松永 哲郎，西村 明，守田 匡伸，居原 秀，澤 智裕，本橋ほづみ，赤池 孝章
  • Organizer: 第18回 分子予防環境医学研究会大会（名古屋）
• [Presentation] Translation-coupled protein polysulfidation, a unique biosynthesis pathway of cysteine persulfide (2018)
  • Author(s): Tomoaki Ida, Akira Nishimura, Masanobu Morita, Hideshi Ihara, Tomohiro Sawa, Shigemoto Fujii, Hozumi Motohashi, Takaaki Akaike
  • Organizer: 10th International Conference on the Biology, Chemistry and Therapeutic Applications of Nitric Oxide
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] システイニルtRNA合成酵素のパースルフィド合成制御機構 (2018)
  • Author(s): 井田 智章, 西村 明, 守田 匡伸, 松永 哲郎, 澤 智裕, 居原 秀, 藤井 重元, 本橋 ほづみ, 赤池 孝章
  • Organizer: 第91回 日本生化学会大会（京都）
• [Presentation] システイニルtRNA合成酵素によるパースルフィド合成制御機構の解明 (2018)
  • Author(s): 井田 智章，西村 明，守田 匡伸，松永 哲郎，澤 智裕， 居原 秀，藤井 重元，本橋ほづみ，赤池 孝章
  • Organizer: 第71回 日本酸化ストレス学会・日本NO学会合同学術集会（京都）
• [Presentation] ニトロソグルタチオン代謝酵素アルコールデヒドロゲナーゼ5のタンパク質ポリスルフィド化による制御機構 (2018)
  • Author(s): 藤井 重元，笠松真吾，Md. Morshedul Alam，井田 智章，守田 匡伸， 居原 秀，西村 明，松永 哲郎，本橋ほづみ，赤池 孝章
  • Organizer: 第71回日本酸化ストレス学会・日本NO学会合同学術集会（京都）
• [Presentation] 種横断的システインパースルフィド合成酵素の発見とその生体防御機能の解明 (2018)
  • Author(s): 井田 智章，守田 匡伸，松永 哲郎，西村 明，居原 秀，澤 智裕， 藤井 重元 ，本橋ほづみ，赤池 孝章
  • Organizer: 第72回 日本細菌学会東北支部総会（仙台）
• [Presentation] 種横断的新しいシステインパースルフィド合成酵素の発見 (2018)
  • Author(s): 井田 智章，守田 匡伸，松永 哲郎，西村 明，居原 秀，澤 智裕， 藤井 重元 ，本橋ほづみ，赤池 孝章
  • Organizer: 第29回 日本生体防御学会学術集会（京都）
• [Presentation] 親電子解毒代謝系システインパースルフィドの新しい合成酵素の発見 (2018)
  • Author(s): 井田 智章，守田 匡伸，西村 明，松永 哲郎，居原 秀，澤 智裕， 藤井 重元，熊谷 嘉人，本橋ほづみ，赤池 孝章
  • Organizer: 第45回 日本毒性学会学術年会
• [Presentation] システイニルtRNA合成酵素によるパースルフィド合成制御機構の解明 (2018)
  • Author(s): 井田智章，西村 明，守田匡伸，松永哲郎，澤 智裕， 居原 秀，藤井重元，本橋ほづみ，赤池孝章
  • Organizer: 平成30年度 生理学研究所研究会（岡崎）
• [Book] ポリスルフィド化 (2018)
  • Author(s): 西村 明、井田智章、赤池孝章
  • Total Pages: 2 (Vol.69 No. 5, 448-449)
  • Publisher: 生体の科学
• [Book] SH（ポリスルフィド）の酸化 (2018)
  • Author(s): 西村 明、井田智章、赤池孝章
  • Total Pages: 2 (Vol. 69 No. 5, 446-447)
  • Publisher: 生体の科学
• [Remarks] 東北大学大学院医学系研究科環境医学分野ホームページ
  • URL: http://www.toxicosci.med.tohoku.ac.jp/