プロテアソームを基軸としたタンパク質分解系の包括的研究

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21000012
• Research Institution: Tokyo Metropolitan Organization for Medical Research
• Principal Investigator: 田中 啓二 財団法人東京都医学総合研究所, 生体分子先端研究分野, 所長 (10108871)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 村田 茂穂 東京大学, 大学院・薬学系研究科, 教授 (20344070)
• Keywords: 蛋白質 / バイオテクノロジー / プロテオーム / 脳神経疾患 / 免疫学

Research Abstract

26Sプロテアソームは不要になった細胞内のタンパク質を選択的に分解するための大規模な細胞内装置である。本酵素は触媒機能を司るCP(Core Particle)の両端に調節ユニットであるRP(Regulatory Particle)が会合した分子量250万の巨大で複雑な多成分複合体である。CPはa-RingとR-Ring(各々7種のα/βサブユニットから構成)がαββαの順で会合した円筒型粒子であり、RPは6個のATPase(Rpt1-6)と13個のnon-ATPase(Rpn1-15:4,14欠)から構成されている。本年、プロテアソームの研究を中心に以下の5項目で顕著な成果を挙げた。(1)26Sプロテアソームの形成機構についてこれまで10余種の分子集合シャペロンを発見してきたが、構造生物学的解析を進めると共に脱ユビキチン酵素Ubp6が関与していることを明らかにした。また26Sプロテアソームの内在性サブユニットRpn10とRpn13(ユビキチン受容体)の位置情報を極低温電子顕微鏡解析から突き止めた。(2)最近発見した胸腺プロテアソームの胸腺特異的発現に関与する転写因子の同定に成功した。(3)以前に発見していた免疫プロテアソームのキモトリプシン型活性をコードするβ5i遺伝子(PSMB8)のミスセンス変異が、中条-西村症候群(凍瘡様皮疹と限局性脂肪萎縮を伴う遺伝性周期熱症候群)を引き起こすことを突き止めた。(4)オートファジーを肝臓で長期間欠損させると、選択的基質p62が蓄積、Keapl(酸化ストレス応答ユビキチンリガーゼ)に直接会合・安定化して(抗酸化/解毒応答)マスター転写因子Nrf2を持続的に活性化することにより、肝細胞ガンが発症することを発見した。(5)家族性パーキンソン病の原因遺伝子であるPINK1とParkinがミトコンドリアの品質管理(不良品処理機構)を行うメカニズムを解析する過程で,新しい仕組みの糸口を掴んだ。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

われわれが約20年前に発見していた免疫プロテアソームが中条一西村症候群(凍瘡様皮疹と限局性脂肪萎縮を伴う遺伝性周期熱症候群)の原因遺伝子であり、その発症メカニズムがβ5i遺伝子変異によるプロテアソームの形成異常にあることを証明した。本成果はプロテアソームに関する遺伝病として世界初の報告である。またオートファジーの破綻が肝細胞ガンを誘発するメカニズムの解明に成功した。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究推進は、以下の5項目に策定している。(1)プロテアソームについては、超高感度計測技術を導入して、細胞における動態と作動機構について1分子レベルで解明する。(2)CD8+Tリンパ球のレパトア形成機構の鍵となる胸腺プロテアソームについてその作動機構を解明し、自己と非自己の識別という分子免疫学の根幹に関わるテーマの進展に貢献する。(3)オートファジーの破綻による肝細胞ガンの発症機構について、そのキー分子であるp62の分子動態機序(リン酸化による制御)を解明し、治療薬開発に向けた基盤的研究を開始する。(4)PINK1(蛋白質リン酸化酵素)とParkin(ユビキチン連結酵素)の動態解明からミトコンドリアの品質管理機構を明らかにし、パーキンソン病の発症機構解明に迫る。
研究は順調に進捗しており、想定外の発展が見込める可能性を除けば、当初計画の変更や問題点は見受けられない。

Research Products

• [Journal Article] Structural basis for specific recognition of Rpt1, an ATPase subunit of the 26S proteasome, by the proteasome-dedicated chaperone Hsm3 (2012)
  • Author(s): Takagi, K., Kim, S., Yukii, H., Ueno, M., Morishita , R., Endo, Y., Kato, K., K., Tanaka, K., Saeki, Y., and Mizushima, Y.
  • Journal Title: J Biol Chem. Volume: 287 Pages: 12172-12182
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Decreased proteasomal activity causes age-related phenotypes and promotes the development of metabolic abnormalities (2012)
  • Author(s): Tomaru U, Takahashi S, Ishizu A, Miyatake Y, Gohda A, Suzuki S, Ono A, Ohara J, Baba T, Murata S, Tanaka K, Kasahara M
  • Journal Title: Am.J.Pathol. Volume: 180 Pages: 963-972
  • DOI: doi:10.1016/j.ajpath.2011.11.012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Localization of the proteasomal ubiquitin receptors Rpn10 and Rpn13 by electron cryomicroscopy (2012)
  • Author(s): Sakata E, Bohn S, Mihalache O, Kiss P, Beck F, Nagy I, Nickell S, Tanaka K, Saeki Y, Forster F, Baumeister W
  • Journal Title: Proc Nall Acad Sci USA Volume: 109 Pages: 1479-1484
  • DOI: DOI:10.1073/pnas.1117648108
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Smad7-deficient mice show growth retardation with reduced viability (2012)
  • Author(s): Tojo M, Takebe A, Takahashi S, Tanaka K, Imamura T, Miyazono K, Chiba T
  • Journal Title: J Biochem. Volume: (in press)
  • DOI: doi:10.1093/jb/mvs022
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proteasomal degradation resolves competition between cell polarization and cellular wound healing (2012)
  • Author(s): Kono, K., Saeki, Y., Yoshida, S., Tanaka, K., Pellman, D.
  • Journal Title: Cell Volume: (in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] β5t-containing thymoproteasome : thymic cortical epithelial cell-specific expression and role in positive selection of CD8^+ T cells (2012)
  • Author(s): Takahama, Y., Takada, K., Murata, S., Tanaka, K.
  • Journal Title: Curr.Opini.Immunol. Volume: 24 Pages: 92-98
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The proteasome : molecular machinery and pathophysiological roles (2012)
  • Author(s): Tanaka, K., Mizushima, T., Saeki, Y.
  • Journal Title: Biol Chem. Volume: 393 Pages: 217-234
  • DOI: DOI:10.1515/hsz-2011-0285
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The proteasome : from basic mechanisms to emerging roles (2012)
  • Author(s): Tanaka, K.
  • Journal Title: Keio J.Med. Volume: (in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sharpin is a component of the NF-κB activating linear ubiquitin chain assembly complex (2011)
  • Author(s): Tokunaga, F., Nakagawa, T., Nakahara, M., Saeki, Y., Taniguchi, M., Sakata, S., Tanaka, K., Nakano, H., Iwai, I.
  • Journal Title: Nature Volume: 471 Pages: 633-636
  • DOI: doi:10.1038/nature09815
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Ufm1-activating enzyme Uba5 is indispensable for erythroid differentiation in mice (2011)
  • Author(s): Tatsumi, K., Yamamoto-Mukai, H., Shimizu, R., Waguri, S., Sou, Y-S., Sakamoto, A., Taya, C., Shitara, H., Hara, T., Chung, C.H., Tanana, K., Yamamoto, M., Komatsu, M.
  • Journal Title: Nat.Commun. Volume: 2 Pages: 181
  • DOI: 10.1038/ncomms1182
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure of ubiquitin-fold modifier 1 specific protease, UfSP2 (2011)
  • Author(s): Ha, B.H., Jeon, Y.J., Shin, S.C., Tatsumi, K., Komatsu, M., Tanaka, K., Watson, C.M., Wallis, G., Chung, C.H., Kim, E.E.
  • Journal Title: J.Biol.Chem. Volume: 286 Pages: 10248-10257
  • DOI: 10.1074/jbc.M110.172171
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Autophagy in the intestinal epithelium reduces endotoxin-induced inflammatory responses by inhibiting NF-κB activation (2011)
  • Author(s): Fujishima, Y., Nishiumi, S., Masuda, A., Inoue, J., Nguyen, G.M., Irino, Y., Komatsu, M., Tanaka, K., Kutsumi, H., Azuma, T., Yoshida, M.
  • Journal Title: Arch.Biochem.Biophys. Volume: 506 Pages: 223-235
  • DOI: doi:10.1016/j.abb
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ontogeny of thymic cortical epithelial cells expressing thymoproteasome subunit β5t (2011)
  • Author(s): Ripen, AM., Nitta, T., Murata, S., Tanaka, K., Takahama, Y.
  • Journal Title: Eur.J.Immunol. Volume: 41 Pages: 1278-1287
  • DOI: doi:10.1002/eji.201041375
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Akt suppresses retrograde degeneration of dopaminergic axons by inhibition of macroautophagy (2011)
  • Author(s): Chens, H-C., Kim, SR., Oo, TF., Kareva, T., Yarygina, O., Rzhetskaya, M., Wang, C., During, M., Talloczy, Z., Tanaka, K., Komatsu, M., Kobayashi, K., Okano, H., Kholodilov, N., Burke, RE.
  • Journal Title: J.Neurosci. Volume: 31 Pages: 2125-2135
  • DOI: 10.1523/JNEUROSCI.5519-10.2011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Autophagy-deficient mice develop multiple liver tumors (2011)
  • Author(s): Takamura, A., Komatsu, M., Hara, T., Sakamoto, A., Kishi, C., Waguri, S., Eishi, Y., Hino O., Tanaka, K., Mizushima, N
  • Journal Title: Genes Dev. Volume: 25 Pages: 795-800
  • DOI: DOI:10.1101/gad.2016211
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Role of persistent activation of Nrf2 through p62 in hepatocarcinogenesis (2011)
  • Author(s): Inami, Y., Waguri, S., Sakamoto, A., Kouno, T., Nakada, K., Hino, O., Watanabe, S., Andoh, J., Iwadate, M., Yamatmto, M., Lee. M-S., Tanaka, K., Komatsu, K.
  • Journal Title: J.Cell.Biol. Volume: 193 Pages: 275-284
  • DOI: DOI:10.1083/jcb.201102031JCB
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Liver autophagy contributes to the maintenance of blood glucose and amino acid levels (2011)
  • Author(s): Ezaki, J., Matsumoto, N., Takeda-Ezaki, M., Komatsu, M., Takahashi, K., Hiraoka, Y., Taka, H., Fujimura, T., Takehana, K., Yoshida, M., Iwata, J., Tanida, I., Furuya, N., Zheng, D-m., Tada, N., Tanaka, K., Kominami, E., Ueno, T.
  • Journal Title: Autophagy Volume: 7 Pages: 727-736
  • DOI: doi:10.4161/auto.7.7.15371
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Control of AIF-mediated cell death by antagonistic functions of CHIP ubiquitin E3 ligase and USP2 deubiquitinating enzyme (2011)
  • Author(s): Oh, K.H., Yang, S.W., Park, J.M., Seol, J.H., Iemura, S., Natsume, T., Murata, S., Tanaka, K., Jeon, Y.J., Chung, C.H.
  • Journal Title: Cell Death Differ. Volume: 18 Pages: 1326-1336
  • DOI: doi:10.1038/cdd.2011.3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The catalytic activity of Ubp6 enhances maturation of the proteasomal regulatory particle (2011)
  • Author(s): Sakata, E., Stengel, F., Fukunaga, K., Zhou, M., Saeki, Y., Forster, F., Baumeister, W.*, Tanaka, K.*, Robinson, CV.*(*correspondences)
  • Journal Title: Mol.Cell Volume: 42 Pages: 637-649
  • DOI: DOI:10.1016/j.molcel.2011.04.021
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Parkin mediates apparent E2-independent monoubiquitination in vitro and contains an intrinsic activity that catalyzes polyubiquitination (2011)
  • Author(s): Chew, KCM*., Matsuda, M*., Saisho, K., Lim, GGY., Chai, C., Tan, HM., Tanaka, K., Lim, K-L.(*equally contribution)
  • Journal Title: PloS ONE. Volume: 6(5) Pages: e19720
  • DOI: doi:10.1371/journal.pone.0019720
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal structure of the UBA domain of p62 and its interaction with ubiquitin (2011)
  • Author(s): Isogai, S., Morimoto, D., Arita, K., Unzai, S., Tenno, T., Hasegawa, J., Sou, Y.S., Komatsu, M., Tanaka, K., Shirakawa, M., Tochio, H.
  • Journal Title: J Biol Chem. Volume: 286 Pages: 31864-318674
  • DOI: DOI10.1074/jbc.M111.259630
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Assembly defect due to a PSMB8 mutation reduces proteasome activity and causes the autoinflammatory disorder, Nakajo-Nishimura syndrome (2011)
  • Author(s): Arima, K., Kinoshita, A., Mishima, H., Kanazawa, N., Kaneko, T., Mizushima, T., Ichinose, K., Nakamura, H., Tsujino, A., Kawakami, A., Matsunaka, M., Kasagi, S., Kawano, S., Kumagai, S., Ohmura, K., Mimori, T., Hirano, M., Ueno, S., Tanaka, K., Tanaka, M., Toyoshima, I., Sugino, H., Yamakawa, A., Tanaka, K., Niikawa, N., Furukawa, F., Murata, S., Eguchi, K., Ida, H., Yoshiura, K.
  • Journal Title: Proc.Natl.Acad.Sci.USA Volume: 108 Pages: 14914-14919
  • DOI: doi:10.1073/pnas.1106015108
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A mutation in an immunoproteasome subunit causes autoinflammation and lipody strophy in humans (2011)
  • Author(s): Kitamura, A., Maekawa, Y., Uehara, H., Izumi, K., Kawachi, I., Nishizawa, M., Toyoshima, Y., Takahashi, H., Standley, D.M., Tanaka, K., Hamazaki, J., Murata, S., Obara, K., Toyoshima, I., Yasutomo, K.
  • Journal Title: J.Clin.Invest. Volume: 121 Pages: 4150-4160
  • DOI: DOI:10.1172/JCI58414
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Skp1 stabilizes the conformation of F-box proteins
  • Author(s): Yoshida, Y., Murakami, A., Tanaka, K.
  • Journal Title: Biochem.Biophys.Res.Commun. Volume: 41 Pages: 24-28
  • DOI: DOI:10.1016/j.bbrc.2011.05.098
  • Peer Reviewed
• [Presentation] プロテアソーム～構造から見た作動・形成機構～ (2012)
  • Author(s): 田中啓二
  • Organizer: 平成23年度ターゲットタンパク研究プロジェクト公開シンポジウム「ターゲットタンパク研究から見える未来5」
  • Place of Presentation: 学術会議、東京(招待講演)
  • Year and Date: 2012-03-12
• [Presentation] PINK1/Parkinによるミトコンドリアの品質管理機構～パーキンソン病の発症機構に挑む～ (2012)
  • Author(s): 田中啓二
  • Organizer: 九州大学グローバルCOEプログラム理医連携特別講演会:独創的研究の世界発信を続ける「7人の侍」コラボステーションI
  • Place of Presentation: 九州大学・視聴覚ホール、福岡(招待講演)
  • Year and Date: 2012-02-29
• [Presentation] 巨大で複雑な超分子複合体の構造生命科学-プロテアソームを例とした動態解明- (2012)
  • Author(s): 田中啓二
  • Organizer: 学術会議シンポジウム「先端的異分野融合を核とした構造生命科学の飛躍に向けて」
  • Place of Presentation: 日本学術会議講堂、東京(招待講演)
  • Year and Date: 2012-01-09
• [Presentation] プロテアソームの生物学～免疫型酵素の発見と分子免疫学への貢献～ (2011)
  • Author(s): 田中啓二
  • Organizer: 第61回日本アレルギー学会秋季学術大会
  • Place of Presentation: グランドプリンスホテ新高輪国際館パミール、東京(招待講演)
  • Year and Date: 20111110-20111112
• [Presentation] Assembly and Diversity of Eukaryotic Proteasomes (2011)
  • Author(s): Keiji Tanaka
  • Organizer: The 7^<th> General Meeting of the International Proteolysis Society (IPS)
  • Place of Presentation: Hilton San Diego Resort and Spa., San Diego, USA(招待講演)
  • Year and Date: 20111016-20111020
• [Presentation] Up-to-date Study of Eukaryotic Proteasomes (2011)
  • Author(s): Keiji Tanaka
  • Organizer: The 2^<nd> Japan-Sino Autophagy Symposium
  • Place of Presentation: Shonan Village Center, Kanagawa, Japan(招待講演)
  • Year and Date: 20111005-20111007
• [Presentation] In-depth Analysis of Proteasomal Assembly and Diversity in Eukaryotes (2011)
  • Author(s): Keiji Tanaka
  • Organizer: International GMB Symposium "Molecular Life Science 2011" by GMB (The German Society for Biochemistry and Molecular Biology)
  • Place of Presentation: Goethe-University, Frankfurtam Main, Germany(招待講演)
  • Year and Date: 20110925-20110928
• [Presentation] プロテアソームとオートファジー～病態生理学の最新研究～ (2011)
  • Author(s): 田中啓二
  • Organizer: 第25回モロシヌス研究会
  • Place of Presentation: 当間高原リゾート・ベルナティオ(新潟県十日町)、新潟(招待講演)
  • Year and Date: 20110708-20110709
• [Presentation] In-depth Study of Structure and Functions of Eukaryotic Proteasomes (2011)
  • Author(s): Keiji Tanaka
  • Organizer: The 3^<rd> Asia Pacific Protein Association (APPA) Conference
  • Place of Presentation: Shanghai University, Shanghai, China(招待講演)
  • Year and Date: 20110507-20110509
• [Presentation] 細胞内タンパク質分解系の病態生理学研究 (2011)
  • Author(s): 田中啓二
  • Organizer: 第84回日本内分泌学会学術総会内分泌代謝学の多領域との融合と新たな展開"マイスター賞受賞講演"
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場、神戸(招待講演)
  • Year and Date: 20110421-20110424
• [Presentation] プロテアソームの多様性による免疫システム制御 (2011)
  • Author(s): 田中啓二
  • Organizer: 第7回骨免疫ワークショップ
  • Place of Presentation: パークハイアットホテル東京、東京(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-25
• [Presentation] プロテアソームを基軸としたタンパク質分解研究 (2011)
  • Author(s): 田中啓二
  • Organizer: 先端医療センターMonthly Lecture
  • Place of Presentation: 財団法人先端医療振興財団、神戸(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-18
• [Presentation] プロテアソームを基軸とした細胞内リサイクルシステム (2011)
  • Author(s): 田中啓二
  • Organizer: 日本DNA多型学会第20回学術集会
  • Place of Presentation: はまぎんホールヴァイマーレ、横浜(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-18
• [Presentation] プロテアソームとオートファジーの生理と病態.細胞・脳機能研究の融合による神経疾患診断・治療法開発拠点の形成 (2011)
  • Author(s): 田中啓二
  • Organizer: 第1回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 順天堂大学、東京(招待講演)
  • Year and Date: 2011-10-13
• [Presentation] 私のプロテアソーム研究～分子から個体レベルまで～ (2011)
  • Author(s): 田中啓二
  • Organizer: 日本蛋白質科学会創立10周年記念シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪大学・銀杏会館大阪、大阪(招待講演)
  • Year and Date: 2011-06-06
• [Presentation] オートファジー"加齢、酸化ストレス応答と肝細胞がん" (2011)
  • Author(s): 田中啓二
  • Organizer: 第11回日本抗加齢医学会総会:アンチエイジングの心の眼を拓く:ベーシックサイエンス企画シンポジウム1「抗酸化環境応答と加齢」
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館、京都(招待講演)
  • Year and Date: 2011-05-27
• [Book] Curr.Opini.Immunol (2012)
  • Author(s): Takahama, Y., Takada, K., Murata, S., Tanaka, K.
  • Total Pages: 7
  • Publisher: Elsevier Ltd.
• [Book] Keio J.Med. (2012)
  • Author(s): Tanaka, K.
  • Publisher: 慶應義塾大学(in press)
• [Book] Brain and Nerve (2012)
  • Author(s): 松田憲之, 田中啓二, 小松雅明
  • Total Pages: 6
  • Publisher: 医学書院
• [Book] Annual Review 2012神経 (2012)
  • Author(s): 田中啓二, 松田憲之, 尾勝圭
  • Total Pages: 6
  • Publisher: 中外医学社
• [Book] 「アレルギー」(社)日本アレルギー学会編 (2012)
  • Author(s): 田中啓二
  • Publisher: (社)日本アレルギー学会(印刷中)
• [Book] Methods in Molecular Biology (2011)
  • Author(s): Saeki, Y, Tanaka, K.
  • Total Pages: 23
  • Publisher: Humana Press. New York (USA)
• [Book] 日本栄養・食糧学会誌 (2011)
  • Author(s): 田中啓二
  • Total Pages: 8
  • Publisher: 公益社団法人日本栄養・食糧学会(総説)
• [Book] Surgery Frontier 2011年6月号特集 (2011)
  • Author(s): 田中啓二
  • Total Pages: 6
  • Publisher: メジカルビュー社
• [Book] 実験医学2011年7月増刊 (2011)
  • Author(s): 田中啓二
  • Total Pages: 8
  • Publisher: 羊土社
• [Book] ライフサイエンス「新着論文レビュー」 (2011)
  • Author(s): 佐伯泰、田中啓二
  • Publisher: 大学共同利用機関法人情報・システム研究機構ライフサイエンス統合データベースセンター
• [Book] 化学と生物(日本農芸化学会学会誌) (2011)
  • Author(s): 松田憲之, 田中啓二
  • Total Pages: 7
  • Publisher: 日本農芸化学会
• [Book] 実験医学 (2011)
  • Author(s): 松田憲之, 尾勝圭, 田中啓二
  • Total Pages: 7
  • Publisher: 羊土社
• [Book] 神経内科 (2011)
  • Author(s): 井口正寛, 松田憲之, 田中啓二
  • Total Pages: 7
  • Publisher: 科学評論社
• [Book] Bio Clinica (2011)
  • Author(s): 松田憲之, 田中啓二
  • Total Pages: 5
  • Publisher: 北隆館
• [Book] 病理と臨床 (2011)
  • Author(s): 田中啓二
  • Total Pages: 5
  • Publisher: 文光堂
• [Remarks]
  • URL: http://www.igakuken.or.jp/pro-meta/