Elucidation of the activation mechanism of TRPA1 channel by hydrogen sulfide-derived polysulfide

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26460352
• Research Institution: National Center of Neurology and Psychiatry
• Principal Investigator: 木村 由佳 国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター, 神経研究所, 科研費研究員 (60425692)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: ポリサルファイド / 硫化水素 / 3-メルカプトピルビン酸硫黄転移酵素 / シグナル分子 / TRPA1 / 酵素的産生 / 脳

Outline of Annual Research Achievements

硫化水素(H2S)は我々が世界に先駆けて報告した生理活性物質であり、アストロサイトでは細胞内へのCa2+流入を誘発する。H2Sにイオウが複数直鎖状に結合したポリサルファイド(H2Sn、n≧2)はH2Sの300分の１以下の濃度で細胞内Ca2+上昇を誘発し、TRPA1チャネルを活性化する新規シグナル分子である(Kimura Y et al 2013等)。我々は様々なH2Snの内、H2S2、H2S3、H2S5、H2Sが生体内に存在し3-メルカプトピルビン酸イオウ転移酵素(3MST)により産生されることを報告した(Kimura Y et al, Sci. Rep 2015)。
本年度はシステイン(Cys)とグルタチオン(GSH)が過硫化したシステインパーサルファイド(Cys-SSH)とGSSHに注目した。Cys-SSHとGSSHは、レドックス調節分子と考えられているが、その合成酵素は良くわかっていなかった。本年度の研究からCys-SSHやGSSHがH2S2やH2S3とともに3MSTにより産生されることを明らかにした(Kimura Y et al, Sci, Reports, 7: 10459, 2017)。即ち1) Cys-SSHとGSSHは野生型マウス脳で産生されるが、3MST-KOマウスでは産生されない、2) 3MST-KOマウス脳の全過硫化物量が野生型の半分に低下、3)精製リコンビナント3MST、3MSTを発現させたCOS細胞ライセートでは、生理的濃度のCys、GSH存在下ではCys-SSHとGSSHが産生されるが、より低濃度のCysとGSH存在下では、よりイオウ鎖が長いCys-SSnHとGSSnH (n≧2)が産生される、ことを見出した。
これらの結果は3MSTにより産生されたH2Snが、生体物質と作用して新たな活性物質を生み出すことを示唆し、更なる研究の発展が見込まれる。

Research Products

• [Journal Article] Alternative pathway of H2S and polysulfides production from sulfurated catalytic-cysteine of reaction intermediates of 3-mercaptopyruvate sulfurtransferase. (2018)
  • Author(s): Nagahara, N., Koike, S., Nirasawa, T., Kimura, H., Ogasawara, Y
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Res. Commun. Volume: 496 Pages: 648-653
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2018.01.056.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Discovery and mechanistic characterization of selective inhibitors of H2S-producing enzyme:: 3-mercaptopyruvate sulfurtransferase (3MST) targeting active-site cysteine persulfide. (2017)
  • Author(s): Hanaoka, K., Sasakura, K., Suwanai, Y., Toma-Fukai, S., Shimamoto, K., Takano, Y., Shibuya, N., Terai, T., Komatsu, T., Ueno, T., Ogasawara, Y., Tsuchiya, Y., Watanabe, Y., Kimura, H., Wang, C., Uchiyama, M., Kojima, H., Okabe, T., Urano, Y., Shimizu, T., Nagano, T.
  • Journal Title: Sci. Rep Volume: 7 Pages: 40227
  • DOI: 10.1038/srep40227.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Polysulfides (H2Sn) produced from the interaction of hydrogen sulfide (H2S) and nitric oxide (NO) activate TRPA1 channels. (2017)
  • Author(s): Miyamoto, R., Koike, S., Takano, Y., Shibuya, N., Kimura, Y., Hanaoka, K., Urano,Y., Ogasawara, Y., Kimura, H.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 7 Pages: 45995
  • DOI: 10.1038/srep45995.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 3-Mercaptopyruvate sulfurtransferase produces potential redox regulators cysteine- and glutathione-persulfide (Cys-SSH and GSSH) together with signaling molecules H2S2, H2S3 and H2S. (2017)
  • Author(s): Kimura, Y., Koike, S., Shibuya, N., Lefer, D., Ogasawara, Y., Kimura, H.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 7 Pages: 10459
  • DOI: 10.1038/s41598-017-11004-7.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analysis of endogenous H2S and H2Sn in mouse brain by high-performance liquid chromatography with fluorescence and tandem mass spectrometric detection. (2017)
  • Author(s): Koike, S., Kawamura, K., Kimura, Y., Shibuya, N., Kimura, H., Ogasawara, Y.
  • Journal Title: Free Rad. Biol. Med. Volume: 113 Pages: 355-362
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2017.10.346
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hydrogen sulfide and polysulfide signaling. (2017)
  • Author(s): Kimura, H.
  • Journal Title: Antioxid. Redox Signal. Volume: 27 Pages: 619-621
  • DOI: 10.1089/ars.2017.7076.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a reversible fluorescent probe for reactive sulfur species, sulfane sulfur, and its biological application. (2017)
  • Author(s): Takano, Y., Hanaoka, K., Shjimamoto, K., Miyamoto, R., Komatsu, T., Ueno, T., Terai, T., Kimura, H., Nagano, T., Urano, Y.
  • Journal Title: Chem. Commun. Volume: 53 Pages: 1064-1067
  • DOI: 10.1039/c6cc08372b.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Mechanism of polysulfide production: enzymatic biosynthesis and chemical interaction between hydrogen sulfide and nitric oxide. (2017)
  • Author(s): Yuka Kimura,
  • Organizer: ConBio2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Signaling molecules: H2S and H2Sn. (2017)
  • Author(s): Kimura, H.
  • Organizer: ConBio2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 生理活性物質硫化水素とポリサルファイドの産生機構。 (2017)
  • Author(s): 渋谷典広
  • Organizer: ConBio2017
  • Int'l Joint Research