活性酸素産生酵素Noxによる活性硫黄代謝リモデリング：活性硫黄リモデレースの発見

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K21496
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 赤池 孝章 東北大学, 医学系研究科, 教授 (20231798)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 住本 英樹 九州大学, 医学研究院, 教授 (30179303)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2022-03-31
• Keywords: NADPH oxidase (Nox) / Dual oxidase (Duox) / 活性硫黄 / グルタチオンポリスルフィド / 統合硫黄メタボローム

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、生体内の主要な活性酸素産生酵素として知られているNADPH oxidase (Nox) による全く新規の硫黄代謝制御機構を解明し、その生理機能を明らかにすることを目的としている。
Noxファミリー分子は、ヒトでは5種類のNox (Nox1～5) と2種類のDuox (dual oxidase 1, 2)が存在する。本年度の研究では、Nox/Duoxアイソフォームを培養細胞に強制発現させて、我々が独自に開発した硫黄メタボローム解析により、活性硫黄・パースルフィドなどのすべての硫黄代謝物の網羅的プロファイリングを行った。まず、ヒト野生型Nox4およびNox4活性欠損変異体 (P437H変異-NADPH結合性欠損) を、HEK293T細胞に強制発現させ解析した結果、驚くべきことに、グルタチオントリスルフィド (GSSSG) をNADPH依存的に還元後再酸化して、各種還元型パースルフィドを生成するという事実が判明した。実際、この様な顕著な活性硫黄産生は、P437H変異体発現細胞においては認められなかった。GSSSGの消費と還元型パースルフィドの生成は、通常酸素濃度 (溶存酸素200-300μM程度存在下) で起こる反応であり、硫黄代謝物濃度を細胞容積で補正すると、100μMのGSSSGにより、ほぼ同レベルの顕著な活性硫黄・パースルフィド産生があり、このことは、Nox4の基質として、硫黄が酸素に競合して、硫黄が酸素よりも優れた基質であることを示唆している。さらに、Nox4のみならず、Nox2およびDuox1, Duox2強制発現系についても、GSSSG処置により各種還元型パースルフィドの増加が示された。これらのことから、Nox/DuoxはNADPHから受け取った電子を用いてGSSSGを還元し、さらに酸化することで硫黄を伸長・再活性化することが明らかとなり、「活性硫黄リモデリング」とも言うべき全く新規の硫黄代謝経路として機能す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

Nox/Duoxの強制発現系の構築や硫黄メタボローム解析など、当初計画に沿った解析を行い目的とする研究成果を得ることができたため。

Strategy for Future Research Activity

研究目的に鑑みて、これまでのところ研究を遂行する上での問題はなく、順調に研究が進展している。引き続き当初計画どおりに、活性酸素産生酵素Noxによる活性硫黄代謝機構の解明に向けた研究を推進していく。

Causes of Carryover

実験実施計画等を見直し効率的に研究を行った結果、当初計画よりも少ない経費で、Nox/Duoxの強制発現系の構築や硫黄メタボローム解析等において、目的とした研究成果が得られたため。
本研究の目的であるNox/Duoxの硫黄代謝制御機構とその生理機能の解明に向けて、次年度におけるさらに詳細な分子メカニズムの解析のために使用する。

Research Products

• [Journal Article] The pivotal role of sulfide catabolism in hypoxia tolerance (2021)
  • Author(s): Marutani, E., Morita, M., Hirai, S., Kai S., Grange, R. M. H., Miyazaki, Y., Nagashima, F., Trager, L., Magliocca, A., Ida, T., Matsunaga, T., Ihara, H., Olenchock, B. A., Shen, X., Nishida, M., Hanaoka, K., Kevil, C. G., Xian, M., Bloch, D. B., Akaike, T., Hindle, A. G., Motohashi, H., and Ichinose, F.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: － Pages: －
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Antioxidative and anti-inflammatory actions of reactive cysteine persulfides (2021)
  • Author(s): T. Zhang, H. Tsutsuki, K. Ono, T. Akaike, T. Sawa
  • Journal Title: Journal of Clinical Biochemistry and Nutrition Volume: 68 Pages: 5～8
  • DOI: 10.3164/jcbn.20-13
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-Precision Sulfur Metabolomics Innovated by a New Specific Probe for Trapping Reactive Sulfur Species (2021)
  • Author(s): S. Kasamatsu, T. Ida, T. Koga, K. Asada, H. Motohashi, H. Ihara, T. Akaike
  • Journal Title: Antioxidants & Redox Signaling Volume: － Pages: －
  • DOI: 10.1089/ars.2020.8073
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] On-tissue polysulfide visualization by surface-enhanced Raman spectroscopy benefits patients with ovarian cancer to predict post-operative chemosensitivity (2021)
  • Author(s): K. Honda, T. Hishiki, S. Yamamoto, T. Yamamoto, N. Miura, A. Kubo, M. Itoh, W.-Y. Chen, M. Takano, T. Yoshikawa, T. Kasamatsu, S. Sonoda, H. Yoshizawa, S. Nakamura, Y. Itai, M. Shiota, T. Ida, T. Akaike, Y. Masugi, M. Sakamoto, T. Kato, Y. Ino, H. Yoshida, H. Tsuda, N. Hiraoka, Y. Kabe, M. Suematsu, et al.
  • Journal Title: Redox Biology Volume: 41 Pages: 101926～101926
  • DOI: 10.1016/j.redox.2021.101926
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ATP exposure stimulates glutathione efflux as a necessary switch for NLRP3 inflammasome activation (2021)
  • Author(s): T. Zhang, H. Tsutsuki, W. Islam, K. Ono, K. Takeda, T. Akaike, T. Sawa
  • Journal Title: Redox Biology Volume: 41 Pages: 101930～101930
  • DOI: 10.1016/j.redox.2021.101930
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Measuring Reactive Sulfur Species and Thiol Oxidation States: Challenges and Cautions in Relation to Alkylation-Based Protocols (2020)
  • Author(s): P. Nagy, E. Doka, T. Ida, T. Akaike
  • Journal Title: Antioxidants & Redox Signaling Volume: 33 Pages: 1174～1189
  • DOI: 10.1089/ars.2020.8077
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 活性硫黄分子によるシグナル伝達と代謝制御 (2021)
  • Author(s): 赤池孝章
  • Organizer: 第１回 レドックスR&D戦略委員会シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 活性硫黄分子によるシグナル伝達と代謝制御 (2021)
  • Author(s): 赤池孝章
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
  • Invited
• [Presentation] 新型コロナの感染予防制御とポストコロナ時代の先進医療 (2021)
  • Author(s): 赤池孝章
  • Organizer: 第94回日本細菌学会総会
  • Invited
• [Presentation] NO・活性酸素シグナルから始まる硫黄生物学研究 (2020)
  • Author(s): 赤池孝章
  • Organizer: プラズマバイオコンソーシアム2020 年度研究会
  • Invited
• [Book] 活性硫黄分子種によるエネルギー代謝とタンパク質劣化防止機能 (2021)
  • Author(s): 高田剛, 松永哲郎, 赤池孝章
  • Total Pages: 3 (25 - 27)
  • Publisher: バイオサイエンスとインダストリー
• [Book] 4. 抗酸化：活性パースルフィドによる制御 (2020)
  • Author(s): 高田剛, 松永哲郎, 赤池孝章
  • Total Pages: 6 (1663 - 1668)
  • Publisher: 実験医学【食と健康を結ぶメディカルサイエンス 】
• [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/index.html
• [Remarks] Research Mapマイポータル
  • URL: https://researchmap.jp/AkaikeT