Discovery of a novel persulfide synthase and analysis of its physiological function.

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 23K06386
• Research Institution: Osaka Metropolitan University
• Principal Investigator: 井田 智章 大阪公立大学, 研究推進機構, 特任准教授 (70570406)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 守田 匡伸 東北大学, 医学系研究科, 講師 (10519094)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Keywords: 超硫黄 / システインパースルフィド / アミノアシルtRNA合成酵素

Outline of Annual Research Achievements

システインパースルフィド(CysSSH)に代表される超硫黄分子は、生体内に豊富に生成され、酸化ストレスに起因する様々な病態・疾患に対して防御的機能を発揮している。研究代表者らは、質量分析装置を用いた硫黄メタボロームを確立して、CysSSH生合成系としてシステインtRNA合成酵素(CARS; 翻訳関連酵素の一つ)を同定し、CARS由来の超硫黄分子がレドックスシグナルやエネルギー代謝などの多彩な生理活性を担っていることを報告してきた。しかしながら、超硫黄分子の生合成系の全貌解明には至っていない。そこで本研究では、全生物種が有するアミノアシルtRNA合成酵素(ARS)が新規パースルフィド合成酵素として機能していることを酵素反応論により検証し、さらに、各種ARS遺伝子改変バイオリソースを用いてエネルギー代謝や寿命等を解析することで、新たなパースルフィド合成反応機構とその生理機能を解明する。
本年度は、まず、CARSによるCysSSH合成活性制御機構を探索するなかで、CysSSH合成活性中心であるPLP結合部位の周辺アミノ酸配列を変異した変異体CARSを合成・精製し、そのCysSSH合成活性を解析した。その結果、PLP結合部位の周辺アミノ酸配列は生物種横断的に高く保存されており、この周辺アミノ酸配列によってCysSSH合成活性が制御されていることを見出した。
次に、大腸菌CARSの酵素反応機構を解析する中で、CARSだけでなく、各種組換えARSを合成・精製し、それらのCysSSH合成活性を検討した結果、ロイシルtRNA合成酵素を筆頭に他の多くのARSにもパースルフィド産生能があることが示された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

大腸菌由来のCARSのCysSSH合成制御機構を解明するために、PLP結合量とCysSSH合成量が相関することを示した。またPLP結合周辺アミノ酸配列が生物種横断的に高く保存されていることを見出した。さらに、このPLP結合周辺アミノ酸配列がPLP結合量を制御しており、それによって、CysSSH合成活性が制御されていることを見出した。
一方、CARS以外の超硫黄生成機構を探索するなかで、大腸菌CARSだけでなく、各種組換え大腸菌由来ARSを合成・精製し、それらのCysSSH合成活性を検討した結果、ロイシルtRNA合成酵素を筆頭に他の多くのARSにもパースルフィド産生能があることが示された。

Strategy for Future Research Activity

ARSによる生物種横断的CysSSH合成能を検討する。
ARSによるパースルフィド産生における基質特異性を速度論的解析により明らかにすることで、CARSやARSによる超硫黄産生と代謝制御が、どの程度、生物種普遍的であるのかを解明する。
各種ARSのパースルフィド合成機構を解明する。

Causes of Carryover

当初の計画よりも研究が順調に遂行できたため、次年度使用額が生じた。次年度使用額を有効に活用し、さらに詳細かつ丁寧な解析を実行する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] National Institute of Oncology(ハンガリー)
  • Country Name: HUNGARY
  • Counterpart Institution: National Institute of Oncology
• [Int'l Joint Research] University of Southampton/University of Birmingham(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: University of Southampton/University of Birmingham
• [Journal Article] Longevity control by supersulfide-mediated mitochondrial respiration and regulation of protein quality (2024)
  • Author(s): Nishimura Akira、Yoon Sunghyeon、Matsunaga Tetsuro、Ida Tomoaki、Jung Minkyung、Ogata Seiryo、Morita Masanobu、Yoshitake Jun、Unno Yuka、Barayeu Uladzimir、Takata Tsuyoshi、Takagi Hiroshi、Motohashi Hozumi、van der Vliet Albert、Akaike Takaaki
  • Journal Title: Redox Biology Volume: 69 Pages: 103018～103018
  • DOI: 10.1016/j.redox.2023.103018
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantitative profiling of supersulfides naturally occurring in dietary meats and beans (2024)
  • Author(s): Kasamatsu Shingo、Kinno Ayaka、Miura Chiharu、Hishiyama Jun-ichi、Fukui Kensuke、Kure Shoji、Tsumura Kazunobu、Ida Tomoaki、Matsunaga Tetsuro、Akaike Takaaki、Ihara Hideshi
  • Journal Title: Analytical Biochemistry Volume: 685 Pages: 115392～115392
  • DOI: 10.1016/j.ab.2023.115392
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Supersulphides provide airway protection in viral and chronic lung diseases (2023)
  • Author(s): Matsunaga T、Sano H、Takita K、Morita M、Yamanaka S、Ichikawa T、Numakura T、Ida T、Jung M、Ogata S、Yoon S、Fujino N、Kyogoku Y、Sasaki Y、Koarai A、Tamada T、Toyama A、Nakabayashi T、Kageyama L、Kyuwa S、Inaba K、Watanabe S、Nagy P、Sawa T、Oshiumi H、Ichinose M、Yamada M、Sugiura H、Wei F、Motohashi H、Akaike T
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Pages: 4476
  • DOI: 10.1038/s41467-023-40182-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Untargeted polysulfide omics analysis of alternations in polysulfide production during the germination of broccoli sprouts (2023)
  • Author(s): Kasamatsu Shingo、Owaki Takuma、Komae Somei、Kinno Ayaka、Ida Tomoaki、Akaike Takaaki、Ihara Hideshi
  • Journal Title: Redox Biology Volume: 67 Pages: 102875～102875
  • DOI: 10.1016/j.redox.2023.102875
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Supersulfide catalysis for nitric oxide and aldehyde metabolism (2023)
  • Author(s): Kasamatsu Shingo、Nishimura Akira、Alam Md. Morshedul、Morita Masanobu、Shimoda Kakeru、Matsunaga Tetsuro、Jung Minkyung、Ogata Seiryo、Barayeu Uladzimir、Ida Tomoaki、Nishida Motohiro、Nishimura Akiyuki、Motohashi Hozumi、Akaike Takaaki
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Pages: eadg8631
  • DOI: 10.1126/sciadv.adg8631
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Synthesis of Sulfides and Persulfides Is Not Impeded by Disruption of Three Canonical Enzymes in Sulfur Metabolism (2023)
  • Author(s): Zainol Abidin Qamarul Hafiz、Ida Tomoaki、Morita Masanobu、Matsunaga Tetsuro、Nishimura Akira、Jung Minkyung、Hassan Naim、Takata Tsuyoshi、Ishii Isao、Kruger Warren、Wang Rui、Motohashi Hozumi、Tsutsui Masato、Akaike Takaaki
  • Journal Title: Antioxidants Volume: 12 Pages: 868～868
  • DOI: 10.3390/antiox12040868
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cysteine hydropersulfide reduces lipid peroxidation and protects against myocardial ischaemia-reperfusion injury - Are endogenous persulfides mediators of ischaemic preconditioning? (2023)
  • Author(s): Griffiths Kayleigh、Ida Tomoaki、Morita Masanobu、Lamb Reece J.、Lee Jordan J.、Frenneaux Michael P.、Fukuto Jon M.、Akaike Takaaki、Feelisch Martin、Madhani Melanie
  • Journal Title: Redox Biology Volume: 60 Pages: 102605～102605
  • DOI: 10.1016/j.redox.2023.102605
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polysulfide metabolizing enzymes influence SqrR-mediated sulfide-induced transcription by impacting intracellular polysulfide dynamics (2023)
  • Author(s): Shimizu Takayuki、Ida Tomoaki、Antelo Giuliano T、Ihara Yuta、Fakhoury Joseph N、Masuda Shinji、Giedroc David P、Akaike Takaaki、Capdevila Daiana A、Masuda Tatsuru
  • Journal Title: PNAS Nexus Volume: 2 Pages: pgad048
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad048
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Discovery of new persulfide synthases that are expressed among all organisms during their evolution (2023)
  • Author(s): Tomoaki Ida, Minkyung Jung, Seiryo Ogata, Masanobu Morita, Tetsuro Matsunaga, Yuka Unno, Ayumu Kobayashi, Yasuhiro Ishimaru, Nobuyuki Uozumi, Hozumi Motohashi, Shingo Kasamatsu, Hideshi Ihara, Takaaki Akaike
  • Organizer: 新興硫黄生物学が拓く生命原理変革（硫黄生物学）第３回領域会議
• [Remarks] 東北大学大学院医学系研究科環境医学分野HP
  • URL: http://www.toxicosci.med.tohoku.ac.jp/index.html