2014 Fiscal Year Annual Research Report
プロテアソーム : 動作原理の解明と生理病態学研究
Project/Area Number |
26000014
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Research Institution | Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science |
Principal Investigator |
田中 啓二 公益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)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村田 茂穂 東京大学, 大学院薬学研究科, 教授 (20344070)
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Project Period (FY) |
2014-04-22 – 2019-03-31
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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 |
Outline of Annual Research Achievements |
「プロテアソームに関する包括的基盤研究」 ・プロテアソームの構造解析 : 光架橋ユビキチン鎖を用いて、未だ不明の「プロテアソーム-ユビキチン鎖複合体」のCryoEM解析およびAFM解析に着手した。 ・プロテアソーム顆粒(Proteasome Granule : PG)や微粒子(Proteasome Speckle : PS)の形成機構 : 酵母遺伝子破壊株ライブラリースクリーニングよりPG形成に関連する因子を多数同定した。 ・プロテアソームの動態解析 : 各種蛍光タグノックインヒト培養細胞株を作製し、蛍光相関分光法FCCSを用いてプロテアソームの複合体形成率、ユビキチン化基質との相互作用を生細胞で測定できるようになった。 「生理病態学1 : 分子病態研究」 ・ユビキチンシグナルの実体とその識別機構 : 8種類のユビキチン鎖および翻訳後修飾を定量プロテオミクスにより超微量から検出定量できるようになった。ユビキチン鎖プローブの細胞内発現と超高感度質量分析装置(MS)により、細胞内のユビキチン化基質の網羅的解析法に成功した。 ・遺伝性劣性パーキンソン病の原因遺伝子産物であるPINK1とParkinが異常なミトコンドリアを除去する仕組みを明らかにすべく研究を進めた。そしてPINK1がParkinとユビキチンの両者をリン酸化するキナーゼであること、リン酸化ユビキチンがParkinの活性化因子であること、活性化されたParkinの触媒・形成する“異常ミトコンドリア上のリン酸化ユビキチン鎖”がParkin受容体であることなどを明らかにした。 「生理病態学2 : 分子免疫研究」 胸腺プロテアソームを発現するcTECはCD8+T細胞の正の選択を行うことできるが、免疫プロテアソーム発現cTECはできない。プロテアソームはMHCクラスI(MHC-I)結合ペプチド産生の主要酵素であることから、両プロテアソームにより産生・提示されるMHC-Iペプチドの性質の違いが正の選択の実態であると想定される。そこで胸腺プロテアソーム発現細胞のMHC-Iペプチドの網羅的同定 : 質量分析機による詳細な解析から、胸腺プロテアソームが免疫プロテアソームとは異なる特徴を有するペプチドを産生することを明らかにした。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
大きな研究成果を挙げ、論文として発表した(一部投稿中、投稿準備中)。 「プロテアソームに関する包括的基盤研究」 我々はプロテアソームの形成を支援する分子集合シャペロンを多数発見し、それらの殆どの高次構造を解明してきた(Structure 2014)。また蛍光相関分光法FCCSによる生細胞内のプロテアソームの拡散係数の測定から、その絶対濃度や分子構成を定量的に解析すると共にプロテアソームが細胞質で形成され核に輸送されることを証明した(Nat Commun. 2014)。 「生理病態学1 : 分子病態研究」 ポリユビキチン鎖の新規高親和性プローブ「TR-Tube」を作製し、定量的な高分解能質量分析計MS解析と組み合わせた分析からポリユビキチン鎖の長さと種類を測定する方法「Ub-ProT法」を開発し、細胞内でのポリユビキチン鎖の長さが2~6鎖であることをはじめて突き止めた(投稿中)。さらにTR-Tubeを転用して、ユビキチン化された基質タンパク質を効果的に同定できる方法も開発した(Proc Natl Acad Sci USA 2015)。また我々は、一連の仕事から「PINK1・Parkin・ユビキチンの3者が協調して異常なミトコンドリアに(リン酸化)ユビキチンを付加し、異常ミトコンドリアを細胞内から除去することで、パーキンソン病の発症を抑制する」過程の全体像が明らかにした(Nature 2014, J Cell Sci 2015, J Cell Biol 2015)。 「生理病態学2 : 分子免疫研究」 既知の正の選択モデル(OT-I TCRTgマウス)を用いて、胸腺プロテアソーム産生ペプチドの特徴を導入した改変ペプチドの効果を検証した結果、胸腺プロテアソームはTCRと低親和性MHC-Iペプチドを産生することにより正の選択を促進することを示唆する結果を得た(論文投稿中)。
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Strategy for Future Research Activity |
「プロテアソームに関する包括的基盤研究」 プロテアソームの作動機構を分子レベルで解明するために、現在、高速原子間力顕微鏡(AFM)を駆使し、分子から生細胞におけるプロテアソームの動態を解析中である。他方、最近我々は、通常、増殖中細胞では主に核に存在するプロテアソームがATPレベルの低下に応答して細胞質に移動し大きな顆粒構造(Proteasome Granule : PG)を形成すること、そしてこの顆粒形成は可逆的であり、ストレスが解消されるとプロテアソームは分散して再び核に移動することを見出したが、その機構と意義のin-depthな解明を行う。さらに上記の現象に加えて、高浸透圧ストレス下では核内に小さな微粒子Foci(Proteasome Speckle : PS)を形成することを見出した。この微粒子形成も可逆的であり、これらのプロテアソームの新たな環境ストレスに対する防御応答機構のメカニズムとその生理的意義の解明を目指す。また生細胞イメージングとプロテオミクス解析により、PSはストレス応答時の転写切り替えに関与することが示唆されているので、そのメカニズムの解明も目指す。 「生理病態学1 : 分子病態研究」 我々が開発した「Ub-ProT法」や「TR-Tube」を活用して、様々な生理変動や病態時に蓄積するユビキチン化タンパク質群を網羅的に解析することを計画している。今後、ユビキチン修飾のデコーダー分子であるユビキチン結合タンパク質の網羅的解析より、細胞内におけるユビキチン鎖の使い分けのメカニズムを解明する。また我々はPINK1とParkinが膜電位を失った不良ミトコンドリアを監視して選択的に浄化(クリアランス)する機構の解明とその破綻がパーキンソン病発症の主因である仮説を提唱してきた。この仮説については、細胞レベルでは海外の研究グループから次々とsupportive evidenceが報告されてきているが、一方で、「遺伝子改変マウスを用いた、動物個体レベルでの仮説の検証」や、「孤発性パーキンソン病の患者様由来の試料を用いた仮説の検証」は十分には進んでいない。そこで“PINK1・Parkin・ユビキチンを主役にしたミトコンドリア品質管理系がパーキンソン病の発症を抑えている”という仮説をより厳密に検証するために、より生理的な(in vivo evidence-baseの)実験系を用いた検証研究を行う予定である。仮説がより確固たるものになれば、パーキンソン病の発症メカニズムの完全な解明により近づくことになる。 「生理病態学2 : 分子免疫研究」 適応(獲得)免疫の最大のテーマは「自己と非自己の識別」である。しかし同じ素材(20種のアミノ酸)で生成される自己と非自己を厳格に識別することは容易でない。「自己と非自己の識別」を生体レベルで考えると、その原点はクローン選択説で予言され、遺伝子再構成機構で実証された無数のTCRを持つCD4+/CD8+Tリンパ球のレパトア形成に集約できる。T細胞のレパトア形成は胸腺で行われ、皮質での正の選択(positive selection : 有用なT細胞の生存)と髄質での負の選択(negative selection : 自己と反応する有害な細胞の除去)という2段階の‘教育’によって成し遂げられるとする仮説が、定説であるが、その詳細な機構は不明である。申請者らはcTEC(胸腺皮質上皮細胞)にのみ発現している“胸腺プロテアソーム”を発見し、この酵素がCD8+Tリンパ球のレパトア形成(正の選択)に必須であることが明らかにした。しかし胸腺プロテアソームによる正の選択を誘導するペプチドの同定は、本仮説を証明する核心であるが、未だ成功していない。そこで最新鋭の高分解能MSを用いて野生型及び・5t欠損マウスcTEC由来のMHCペプチドを網羅的に定性・定量解析することで、「正の選択」を誘導する抗原ペプチドの存在を直接証明することを目指す。本研究では「自己と非自己の識別機構」解明という免疫学における根源的テーマに狙いを定め、新しい免疫学の創成に挑む。
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Research Products
(56 results)
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[Journal Article] Ubiquitn acetylation inhibits polyubiquitin chain elongation2015
Author(s)
Ohtake, F., Saeki, Y., Sakamoto, K., Ohtake, K., Nishikawa, H., Tsuchiya, H., Ohta, T., Tanaka, K., and Kanno, J.
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Journal Title
EMBO Rep.
Volume: 16
Pages: 192-201
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] VCP/Cdc48 rescues the growth defect of a GPI10 mutant in yeast2015
Author(s)
Ohnuma, Y., Takata, T., Kawawaki, J., Yasuda, K., Tanaka, K., Kimura, Y., and Kakizuka A.
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Journal Title
FEBS Lett.
Volume: 589
Pages: 576-580
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] The unexpected role of polyubiquitin chains in the formation of fibrillar aggregates2015
Author(s)
Morimoto, D., Walinda, E. Fukada, H., Sou, Y. S., Kageyama, S., Hoshino, M., Fujii, T., Tsuchiya, H., Saeki, Y., Arita, K., Ariyoshi, M., Tochio, H., Iwai, K., Namba, K., Komatsu, M., Tanaka, K., and Shirakawa M.
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Journal Title
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] A comprehensive method for detecting ubiquitinated substrates using TR-TUBE2015
Author(s)
Yoshida, Y., Yasushi Saeki, Y., Murakami, A., Kawawaki, J., Tsuchiya, H., Yoshibara, H., Shindo, M., and Tanaka, K.
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Journal Title
Proc Natl Acad Sci USA
Volume: 12
Pages: 4630-4635
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Phosphorylated ubiquitin chain is the genuine Parkin receptor2015
Author(s)
Okatsu, K., Koyano, F., Kimura, M., Kosako, H., Saeki, Y., Tanaka, K. * and Matsuda, N. * (*cocorespondences)
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Journal Title
J Cell Biol
Volume: 209
Pages: 111-128
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Nedd4-induced mono-ubiquitination of IRS-2 enhances IGF-dependent signals and mitogenic activity2015
Author(s)
Fukushima, T., Yoshihara, H., Furuta, H., Kamei, H., Hakuno, F., Luan, J., Duan, C., Saeki, Y., Tanaka, K., Iemura, S., Natsume, T., Chida, K., Nakatsu, Y., Kamata, H., Asano, T., and Takabashi, S-I
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Journal Title
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] The thymic cortical epithelium determines the TCR repertoire of IL-17-producing γδT cells2015
Author(s)
Nitta T, Muro R, Shimizu Y, Nitta S, Oda H, Ohte Y, Goto M, Yanobu- Takanashi R, Narita T, Takayanagi H, Yasuda H, Okamura T, Murata S, Suzuki H
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Journal Title
EMBO Rep
Volume: 16
Pages: 638-653
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] The significant role of autophagy in the granular layer in normal skin differentiation and hair growth2015
Author(s)
Yoshihara, N., Ueno, T., Takagi, A., Trejo, J.A., Haruna, K., Suga, Y., Komatsu, M., Tanaka, K., and Ikeda S.
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Journal Title
Arch Dermatol Res
Volume: 307
Pages: 159-169
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Mutations in the deubiquitinase gene USP8 cause Cushing's disease2015
Author(s)
Reincke, M., Sbiera, S., Hayakawa, A., Theodoropoulou, M., Osswald, A., Beuschlein, F., Meitinger, T., Mizuno-Yamasaki, E., Kawaguchi, K., Saeki, Y., Tanaka, K., Wieland, T., Graf, E., Saeger, W., Ronchi, C.L., Allolio, B., Buchfelder, M., Strom, T.M., Fassnacht, M., and Komada M.
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Journal Title
Nat Genet
Volume: 47
Pages: 31-38
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Structural basis for proteasome formation controlled by an assembly chaperone Nas22014
Author(s)
Satoh, T., Saeki, Y., Hiromoto, T., Wang, Y-H., Uekusa, Y., Yagi, H., Yoshihara, H., Yagi-Utsumi, M., Mizushima, T., Tanaka, K., and Kato, K.
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Journal Title
Structure
Volume: 22
Pages: 731-743
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] LC3B is indispensable for selective autophagy of p62 but not basal autophagy2014
Author(s)
Maruyama, Y., Sou, Y.S., Kageyama, S., Takahashi, T., Ueno, T., Tanaka, K., Komatsu, M., and Ichimura, Y.
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Journal Title
Biochem Biophys Res Commun
Volume: 446
Pages: 309-315
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] PARK2/Parkin-mediated mitochondrial clearance contributes to proteasome activation during slow-twitch muscle atrophy via NFE2L1 nuclear translocation2014
Author(s)
Furuya, N. Ikeda, S.I., Sato, S., Soma, S., Ezaki, J., Trejo, J.A. Takeda-Ezaki, M., Fujimura, T., Arikawa-Hirasawa, E., Tada, N., Komatsu, M., Tanaka, K., Kominami, E., Hattori, N., and Ueno, T.
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Journal Title
Autophagy
Volume: 10
Pages: 631-641
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Quantitative live-cell imaging reveals molecular dynamics and cytoplasmic assembly of the 26S proteasome2014
Author(s)
Pack, Chan-Gi., Yukii, H., Toh-e, A., Kudo, T., Tsuchiya, H., Kaiho, A., Sakata, E., Murata, S., Yokosawa, H., Sako, Y., Baumeister, W., Tanaka, K., and Saeki, Y.
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Journal Title
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Ubiauitin is phosphorylated by PINK1 to activate parkin2014
Author(s)
Koyano, F., Okatsu, K., Kosako, H., Tamura, Y., Go, E., Kimura, M., Kimura, Y., Tsuchiya, H., Yoshihara, H., Hirokawa, T., Endo, T., Fon. E.A., Trempe, J.F., Saeki, Y., Tanaka, K., and Matsuda, N
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Journal Title
Nature
Volume: 510
Pages: 162-166
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Backbone 1H, 13C, and 15N assignments of yeast Umpl, an intrinsically disordered protein that functions as a proteasome assembly chaperone2014
Author(s)
Uekusa, Y., Okawa, K., Yagi-Utsumi, M., Serve, 0., Nakagawa, Y., Mizushima, T., Yagi, H., Saeki, Y., Tanaka, K., and Kato, K.
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Journal Title
Biomol NMR Assign
Volume: 8
Pages: 383-386
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Proteasome dysfunction activates autophagy and the Keap1-Nrf2 pathway2014
Author(s)
Kageyama, S., Sou, Y.S., Uemura, T., Kametaka, S., Saito, T., Ishimura, R., Kouno., T, Bedford, L., Mayer, R.J., Lee, M.S., Yamamoto, M., Waguri. S., Tanaka, K., and Komatsu, M.
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Journal Title
J Biol Chem
Volume: 289
Pages: 24944-24955
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Modification of ASCI by UFMl is crucial for ER・transactivation and breast cancer development2014
Author(s)
Yoo, H.M., Kang, S.H., Kim, J.Y., Lee, S.W., Seong, M.W., Ka, S.H., Sou, Y-S., Komatsu, M., Tanaka, K., Lee, S.T., Noh, D.Y., Baek, S.H., Jeon, Y. J., and Chung, C.H.
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Journal Title
Mol Cell
Volume: 56
Pages: 261-274
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Assembly mechanisms of specialized core particles of the proteasome2014
Author(s)
Bai, M., Zhao, X., Sahara, K., Ohte, Y., Hirano, Y., Kaneko, T., Yashiroda, H., and Murata, S.
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Journal Title
Biomolecules
Volume: 4
Pages: 662-677
DOI
Peer Reviewed
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