コレステロール恒常性の鍵をにぎるABC蛋白質の作用機構解明

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25221203
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 植田 和光 京都大学, 物質―細胞統合システム拠点, 教授 (10151789)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 赤津 裕康 医療法人さわらび会福祉村病院長寿医学研究所, その他部局等, その他 (00399734) ; 戸田 好信 天理医療大学, その他部局等, 教授 (10444465) ; 田中 亜路 安田女子大学, 家政学部, 講師 (60509040) ; 長尾 耕治郎 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40587325)
• Project Period (FY): 2013-05-31 – 2018-03-31
• Keywords: ABC蛋白質 / コレステロール / 中枢神経細胞 / 多能性幹細胞 / 3次元構造解析 / 1分子生物学 / 動脈硬化 / トランスポーター

Outline of Annual Research Achievements

コレステロール恒常性の破綻は動脈硬化の原因であり、日本人の死因の30％を占める血管系の異常を引き起こす。コレステロール恒常性は、生合成、取り込み、貯蔵によって綿密に制御されているが、近年それらに加えて細胞からのコレステロール排出が重要であり、複数のABC蛋白質がコレステロール排出に関与していることが明らかにされた。しかし、それらABC蛋白質の生理的役割や作用機構には多くの謎が残されている。本研究は、コレステロールダイナミクスに関与するABC蛋白質の作用機構を、生化学的解析、細胞生物学的解析、蛍光プローブを用いた1分子観察、結晶構造解析などを統合し解明することを目的として行った。
本年は、ABCA1が中枢神経細胞においてコレステロールの代謝物である24(S)-ヒドロキシコレステロールを排出していることを明らかにした。中枢神経においてはコレステロールは活発に24(S)-ヒドロキシコレステロールに酵素的に変換されており、この変換が学習などの神経活動にとって重要であることが示されている。本研究によって、ABCA1が24(S)-ヒドロキシコレステロールを能動的に排出し、神経細胞をアポトーシス死から保護していることを明らかにした。
ABC蛋白質によって輸送される蛍光プローブを開発することによって、ヒト多能性幹細胞を効率的に同定することに成功した。また、高熱性藻類のもつABC蛋白質の結晶化によって、真核生物のABC蛋白質の3次元構造を最高の解像度で解明することに成功した。さらに、本研究経費で購入した全反射顕微鏡を用いた1分子観察によって、ABCA1の二量体化のメカニズムの解析が大きく前進した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

コレステロール恒常性の鍵をにぎるABCA1が、中枢神経細胞ではコレステロールの代謝物である24(S)-ヒドロキシコレステロールを輸送していることを明らかにした。コレステロール恒常性の破たんはアルツハイマー病の一因であることが示唆されており、ABCA1の中枢神経における生理的役割の一端が初めて明らかにすることができた。ヒト多能性幹細胞では、コレステロール恒常性に関与するABC蛋白質を含め48種類のABC蛋白質は特異な発現パターンをしている。本研究では、複数のABC蛋白質によって輸送される蛍光プローブを開発することによって、ヒト多能性幹細胞を効率よく同定することに成功した。さらに、真核生物のABC蛋白質の3次元構造を最高の解像度で解明することに成功したことは、コレステロール輸送に関わるABC蛋白質の作用機構を解明する上で非常に重要である。本研究経費で購入した全反射顕微鏡を用いてABCA1の一分子解析も大きく進展しており、本研究は予定通り順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

コレステロール恒常性の維持を考えるとき、それに関わるABC蛋白質の調節機構の解明が重要である。次年度はABC蛋白質の作用機構の解明と同時に、活性に影響を与える膜環境の影響などの解明を進展させる。また、本年度解明した内向きに開口した構造だけでなく、輸送途中および外向きに開口した構造の結晶構造解析を試みることによって、ABC蛋白質の基質輸送メカニズムの解明に向けて一歩一歩前進させる。さらに、二量体化できないABCA1変異体を全反射顕微鏡を用いて一分子観察することによって、二量体化のメカニズムの解明と生理的役割の解明をめざす。

Research Products

• [Journal Article] Structural Basis for Gating Mechanisms of a Eukaryotic P-glycoprotein Homolog. (2014)
  • Author(s): Atsushi K., . Yamaguchi, T., Nakatsu, T., Sakiyama, K., Hipolito, C.J., Fujioka, A., Hirokane, R., Ikeguchi, K., Watanabe, B., Hiratake, J., Kimura, Y., Suga, H., Ueda, K., and Kato, H.
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci U S A. Volume: 111 Pages: 4049-4054
  • DOI: 10.1073/pnas.1321562111
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Chemical Probe Selective for Human Pluripotent Stem Cells. (2014)
  • Author(s): Hirata,N., Nakagawa, M., Fujibayashi, Y., Yamauchi, K., Murata, A., Minami, T., Tomioka, M., Kondo, T., Kuo, T-F., Endo, H., Inoue, H., Sato, S-i., Ando, S., Kawazoe, Y., Aiba, K., Nagata, K., Kawase, E., Chang, Y-T., Suemori, H., Eto, K., Nakauchi, H., Yamanaka,S., Nakatsuji, N., Ueda, K. and Uesugi, M.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 6 Pages: 1165-1174
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2014.02.006
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 24(S)-hydroxycholesterol is actively eliminated from neuronal cells by ABCA1. (2013)
  • Author(s): Matsuda, A., Nagao, K,, Matsuo, M., Kioka N. and Ueda, K.
  • Journal Title: J. Neurochem. Volume: 126 Pages: 93-101
  • DOI: 10.1111/jnc.12275
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] コレステロール恒常性維持の鍵をにぎるヒトABCA1の分子メカニズム (2014)
  • Author(s): 植田和光、永田 紅、冨岡麻衣子、石神正登、川野邊峻哲、伊藤晋平、提坂友梨奈、橋本秀彦
  • Organizer: 日本農芸化学会2014年度大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-03-28 – 2014-03-30
  • Invited
• [Presentation] オメガ3脂肪酸によるリポタンパク質の質的制御を介した生理作用 (2014)
  • Author(s): 松尾 道憲、斉藤 貴将、中塔 充宏、木岡 紀幸、小川 順、植田 和光
  • Organizer: 日本農芸化学会2014年度大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-03-28 – 2014-03-30
  • Invited
• [Presentation] 精製タンパク質を用いたヒトABCタンパク質の機能解析 (2014)
  • Author(s): 木村泰久、平山裕士、井上修一、津山智美、木岡紀幸、松尾道憲、加藤博章、植田和光
  • Organizer: 日本農芸化学会2014年度大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-03-28 – 2014-03-30
  • Invited
• [Presentation] HDL産生におけるABCA1のダイマー化の生理的意義の解析 (2014)
  • Author(s): 石神正登、永田紅、笠井倫志、永岩耕太、提坂友梨奈、楠見明弘、植田和光
  • Organizer: 日本農芸化学会2014年度大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-03-28 – 2014-03-30
• [Presentation] ABCG1とABCG4による脂質ラフトを介した細胞機能の制御 (2014)
  • Author(s): 伊藤志帆、佐野修、松尾道憲、植田和光
  • Organizer: 日本農芸化学会2014年度大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-03-28 – 2014-03-30
• [Presentation] ABCB4によるホスファチジルコリン排出はスフィンゴミエリンに依存する (2014)
  • Author(s): 趙 禹、石神正登、長尾耕治郎、花田健太郎、松尾道憲、木岡紀幸、植田和光
  • Organizer: 日本農芸化学会2014年度大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-03-28 – 2014-03-30
• [Presentation] アミノ酸置換導入によるABCA1の基質認識部位の解析 (2014)
  • Author(s): 伊藤晋平、長尾耕治郎、木村泰久、植田和光
  • Organizer: 日本農芸化学会2014年度大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-03-28 – 2014-03-30
• [Presentation] Monomer-dimer conversion of ABCA1 during HDL formation (2014)
  • Author(s): 植田和光
  • Organizer: 5th FEBS special meeting “ATP-Binding Cassette (ABC) Proteins
  • Place of Presentation: Innsbruck, Austria
  • Year and Date: 2014-03-09 – 2014-03-14
  • Invited
• [Presentation] Regulation of HMG-CoA reductase activity by ABCG1 (2014)
  • Author(s): Michinori Matsuo, Taro Watanabe, Ayako Hirai, and Kazumitsu Ueda
  • Organizer: 5th FEBS special meeting “ATP-Binding Cassette (ABC) Proteins
  • Place of Presentation: Innsbruck, Austria
  • Year and Date: 2014-03-09 – 2014-03-14
• [Presentation] Mechanism and physiological significance of ABCA1 dimerization during HDL generation (2014)
  • Author(s): Masato Ishigami, Koh Nagata, Rinshi Kasai, Kota Nagaiwa, Yurina Sagesaka, Akihiro Kusumi, Kazumitsu Ueda
  • Organizer: 5th FEBS special meeting “ATP-Binding Cassette (ABC) Proteins
  • Place of Presentation: Innsbruck, Austria
  • Year and Date: 2014-03-09 – 2014-03-14
• [Presentation] Substrate recognition of human ABCG1 and ABCG4 (2014)
  • Author(s): Yasuhisa Kimura, Hiroshi Hirayama, Noriyuki Kioka, Michinori Matsuo, Kazumitsu Ueda
  • Organizer: 5th FEBS special meeting “ATP-Binding Cassette (ABC) Proteins
  • Place of Presentation: Innsbruck, Austria
  • Year and Date: 2014-03-09 – 2014-03-14
• [Presentation] High-resolution crystal Structure of an ABC multidrug exporter from Cyanidioschyzon merolae, a thermophilic unicellular eukaryote. (2014)
  • Author(s): A. Kodan., T. Yamaguchi, T. Nakatsu, K. Sakiyama, C.J. Hipolito, A. Fujioka, R. Hirokane, Y. Kimura, H. Suga, K. Ueda, and H. Kato
  • Organizer: 5th FEBS special meeting “ATP-Binding Cassette (ABC) Proteins
  • Place of Presentation: Innsbruck, Austria
  • Year and Date: 2014-03-09 – 2014-03-14
• [Presentation] Different substrate specificity of ABCA1 and ABCA7 (2014)
  • Author(s): Maiko Tomioka, Noralyn Mañucat, Masato Ishigami, Nozomu Kono, Hiroyuki Arai, Kazumitsu Ueda
  • Organizer: 5th FEBS special meeting “ATP-Binding Cassette (ABC) Proteins
  • Place of Presentation: Innsbruck, Austria
  • Year and Date: 2014-03-09 – 2014-03-14
• [Presentation] ABCB4 functions in different membrane domain with ABCA1 as SM is necessary for its activity (2014)
  • Author(s): Yu Zhao, Masato Ishigami, Kohjiro Nagao, Kentaro Hanada, Michinori Matsuo, Noriyuki Kioka, Kazumitsu Ueda
  • Organizer: 5th FEBS special meeting “ATP-Binding Cassette (ABC) Proteins
  • Place of Presentation: Innsbruck, Austria
  • Year and Date: 2014-03-09 – 2014-03-14
• [Presentation] ABCA1によるHDL(善玉コレステロール)産生メカニズム (2014)
  • Author(s): 植田和光
  • Organizer: 第7回 レドックス・ライフイノベーション シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-03-06 – 2014-03-07
  • Invited
• [Presentation] ABCG1とABCG4は脂質を輸送することによって細胞膜の脂質ラフト領域を壊す (2013)
  • Author(s): 伊藤志帆、松尾道憲、植田和光
  • Organizer: 第36回日本分子生物学会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2013-12-01 – 2013-12-04
• [Presentation] 小児脂質代謝異常とトランスポーター異常ーＡＢＣ蛋白質を中心として (2013)
  • Author(s): 植田和光
  • Organizer: 第27回小児脂質研究会
  • Place of Presentation: 福井
  • Year and Date: 2013-11-09 – 2013-11-10
  • Invited
• [Presentation] プロテインキナーゼCによるABCG1のリン酸化解析 (2013)
  • Author(s): 松尾道憲、渡邊太郎、植田和光
  • Organizer: 第86回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2013-09-11 – 2013-09-13
• [Presentation] アストログリア細胞からのアポリポタンパクE含有リポタンパク質分泌への脂肪酸の影響 (2013)
  • Author(s): 中塔充宏、朴時範、岸野重信、小川順、松尾道憲、植田和光
  • Organizer: 第86回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2013-09-11 – 2013-09-13
• [Presentation] ATPase activity of human ABCG1 is stimulated by cholesterol and choline phospholipids (2013)
  • Author(s): Yasuhisa Kimura, Hiroshi Hirayama, Noriyuki Kioka, Michinori Matsuo, Kazumitsu Ueda
  • Organizer: Benzon Symposium No. 59 - Membrane proteins: Structure, Function and Dynamics
  • Place of Presentation: Copenhagen, Denmark
  • Year and Date: 2013-08-19 – 2013-08-22
• [Presentation] ABC48－ヒトABCトランスポーター発現系ライブラリーの構築と細胞内局在の解析― (2013)
  • Author(s): 松尾道憲、福田麻菜、植田和光
  • Organizer: 第8回トランスポーター研究会年会
  • Place of Presentation: 熊本
  • Year and Date: 2013-06-15 – 2013-06-16
• [Presentation] ABCG1の発現による脂質ラフト構造破壊に伴うシグナル伝達系の変化 (2013)
  • Author(s): 伊藤志帆、渡邊太郎、植田和光、松尾道憲
  • Organizer: 第8回トランスポーター研究会年会
  • Place of Presentation: 熊本
  • Year and Date: 2013-06-15 – 2013-06-16
• [Presentation] アストログリア細胞におけるABCトランスポーターを介したコレステロール排出への脂肪酸の影響 (2013)
  • Author(s): 中塔充宏、朴時範、岸野重信、小川順、植田和光、松尾道憲
  • Organizer: 第8回トランスポーター研究会年会
  • Place of Presentation: 熊本
  • Year and Date: 2013-06-15 – 2013-06-16
• [Presentation] 好熱性真核生物の ABC 多剤排出トランスポーターの X 線結晶構造解析 (2013)
  • Author(s): 廣兼 諒、小段 篤史、中津 亨、 山口 知宏、植田 和光、加藤 博章
  • Organizer: 第13回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 鳥取
  • Year and Date: 2013-06-12 – 2013-06-14