Mechanism and regulation of protein aggregation in complicated cellular systems

• Project Area: Chemical Approaches for Miscellaneous / Crowding Live Systems
• Project/Area Number: 17H06352
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 後藤 祐児 大阪大学, 国際医工情報センター, 特任教授 (40153770)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 茶谷 絵理 神戸大学, 理学研究科, 准教授 (00432493)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥129,220,000 (Direct Cost: ¥99,400,000、Indirect Cost: ¥29,820,000); Fiscal Year 2021: ¥24,310,000 (Direct Cost: ¥18,700,000、Indirect Cost: ¥5,610,000); Fiscal Year 2020: ¥24,310,000 (Direct Cost: ¥18,700,000、Indirect Cost: ¥5,610,000); Fiscal Year 2019: ¥24,310,000 (Direct Cost: ¥18,700,000、Indirect Cost: ¥5,610,000); Fiscal Year 2018: ¥24,310,000 (Direct Cost: ¥18,700,000、Indirect Cost: ¥5,610,000); Fiscal Year 2017: ¥31,980,000 (Direct Cost: ¥24,600,000、Indirect Cost: ¥7,380,000)
• Keywords: 蛋白質 / 脳神経変性疾患 / 生体分子 / 凝集 / 老化 / 蛋白質凝集 / アミロイド線維 / 過飽和 / 溶解度 / 相転移 / 変性

Outline of Annual Research Achievements

昨年度に引き続き、以下の３つの研究を並行して行うと共に、領域内のメンバーと連携して研究を進めた。
(1)試験管内夾雑モデル系の構築と凝集分子機構：αシヌクレインの等電点pH、低イオン強度条件下でアミロイド線維について、蛍光分光法、NMRを用いた解析を進めた。その結果、等電点pHを含むさまざまな条件において、蛋白質の溶解度が低下することによりアミロイド線維ができることの一般性を示した。さらに生体膜表面でpHが低下することによってアミロイド線維形成が促進することを示唆した。本結果は、論文発表した。
(2)アンフィンゼンのドグマとアミロイド線維形成の関係：これまで、β２ミクログロブリンを中心として、塩濃度や温度の効果を研究してきた。その結果、従来可逆的に進行すると思われていた熱変性（アンフィンゼンのドグマ）も、撹拌などのアジテーションによって過飽和を解消することによって不可逆となり、アミロイド線維の形成に至ることを明らかにした。さらにアンフィンゼン型の可逆的な変性とアミロイド線維形成を定式化して結合することができた。本結果は論文発表した。
(3)β２ミクログロブリンの原子構造の解明：蛋白質研究所の固体NMRの研究グループと、固体NMRを用いて、β2ミクログロブリンのアミロイド線維に構造解析を行ってきた。クライオ電顕の研究グループとも共同研究することにより、原子レベルの構造解析を進めた。
(4)アミロイド形成促進因子：アミロイド形成を促進する化合物（例えばポリリン酸）に注目した研究を進めた。透析患者や一般検体の血清を用いて、アミロイド線維形成を加速するHANABI装置によるβ2ミクログロブリンのアミロイド線維形成反応を調べたところ、透析患者においては明らかな促進することを見出した。これを促進する生体環境を解析した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

・予定していた研究を進める中で、アンフィンゼンのドグマとアミロイド線維形成の関係を明らかにすることができたことは重要である。アンフィンゼンは蛋白質の立体構造がアミノ酸一次配列によって決まる熱力学的な最安定状態であることを提案し、今日の蛋白質科学の重要な概念となっている。本研究は、アンフィンゼンのドグマは過飽和という自由エネルギー障壁の中で成り立つものであり、さらにアミロイド線維形成との関係を定式化した。以上、細胞夾雑系において、過飽和の重要性や、過飽和が解消した時にアミロイド形成が起きることを示す。
・また、実際の透析患者や非透析患者の血清を用いて、β２ミクログロブリンのアミロイド線維形成に対する効果を調べた。その結果、透析患者の血清はアミロイドを形成し易いことが明らかとなった。これを追求することにより、生体内でのアミロイド凝集の促進因子の実態に迫ることが期待できる。

Strategy for Future Research Activity

当初計画の通り、夾雑系における蛋白質凝集を、「溶解度」、「過飽和」、「結晶性およびガラス性状態の区別」などによって、原理的かつ包括的に理解すると共にその制御を目指す。特に領域の他の研究代表者との共同研究を実施し、新たな研究の進展、分野の開拓を目指す。具体的には以下の4つの研究課題を推進する。
1.試験管内夾雑モデル系の構築と凝集分子機構、アミロイド促進因子
2.アミロイド線維形成の温度依存性と生体における温度の役割
3.β２ミクログロブリンの原子構造の解明
以上によってアンフィンゼンのドグマにもとづく蛋白質の可逆的なフォールディングと、アミロイド線維形成との関係を、さまざまな蛋白質を用いてより一般的に示す。過飽和蛋白質科学、ひいては過飽和生命科学の開拓を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] エトバッシュローランド大学(ハンガリー)
• [Int'l Joint Research] オーストラリア国立大学(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン(英国)
• [Int'l Joint Research] ウディネ大学(イタリア)
• [Int'l Joint Research] ミュンヘン工科大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] エトバッシュローランド大学(ハンガリー)
• [Int'l Joint Research] オーストラリア国立大学(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン(英国)
• [Int'l Joint Research] ウディネ大学(イタリア)
• [Int'l Joint Research] ミュンヘン工科大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] エトバッシュローランド大学(ハンガリー)
• [Int'l Joint Research] ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン(英国)
• [Int'l Joint Research] ウディネ大学/パビア大学(イタリア)
• [Int'l Joint Research] ミュンヘン工科大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] オーストラリア国立大学(オーストラリア)
• [Journal Article] Isoelectric point-amyloid formation of α-synuclein extends the generality of the solubility and supersaturation-limited mechanism (2020)
  • Author(s): Furukawa Koki、Aguirre Cesar、So Masatomo、Sasahara Kenji、Miyanoiri Yohei、Sakurai Kazumasa、Yamaguchi Keiichi、Ikenaka Kensuke、Mochizuki Hideki、Kardos Jozsef、Kawata Yasushi、Goto Yuji
  • Journal Title: Curr. Res. Struct. Biol. Volume: 2 Pages: 35-44
  • DOI: 10.1016/j.crstbi.2020.03.001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Inorganic polyphosphate potentiates lipopolysaccharide-induced macrophage inflammatory response (2020)
  • Author(s): Ito Toru、Yamamoto Suguru、Yamaguchi Keiichi、Sato Mami、Kaneko Yoshikatsu、Goto Shin、Goto Yuji、Narita Ichiei
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 295 Pages: 4014-4023
  • DOI: 10.1074/jbc.ra119.011763
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Possible mechanisms of polyphosphate-induced amyloid fibril formation of β2-microglobulin (2019)
  • Author(s): Zhang Chun-ming、Yamaguchi Keiichi、So Masatomo、Sasahara Kenji、Ito Toru、Yamamoto Suguru、Narita Ichiei、Kardos Jozsef、Naiki Hironobu、Goto Yuji
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Volume: 116 Pages: 12833-12838
  • DOI: 10.1073/pnas.1819813116
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Parkinson’s disease is a type of amyloidosis featuring accumulation of amyloid fibrils of α-synuclein (2019)
  • Author(s): Araki Katsuya、Yagi Naoto、Aoyama Koki、Choong Chi-Jing、Hayakawa Hideki、Fujimura Harutoshi、Nagai Yoshitaka、Goto Yuji、Mochizuki Hideki
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 116 Pages: 17963-17969
  • DOI: 10.1073/pnas.1906124116
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polyphosphates diminish solubility of a globular protein and thereby promote amyloid aggregation (2019)
  • Author(s): Sasahara Kenji、Yamaguchi Keiichi、So Masatomo、Goto Yuji
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 294 Pages: 15318-15329
  • DOI: 10.1074/jbc.ra119.008662
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Heating during agitation of β2-microglobulin reveals that supersaturation breakdown is required for amyloid fibril formation at neutral pH (2019)
  • Author(s): Noji Masahiro、Sasahara Kenji、Yamaguchi Keiichi、So Masatomo、Sakurai Kazumasa、Kardos Jazsef、Naiki Hironobu、Goto Yuji
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 294 Pages: 15826-15835
  • DOI: 10.1074/jbc.ra119.009971
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Amyloid Formation under Complicated Conditions in Which β2-Microglobulin Coexists with Its Proteolytic Fragments (2019)
  • Author(s): Muta Hiroya、So Masatomo、Sakurai Kazumasa、Kardos Jozsef、Naiki Hironobu、Goto Yuji
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 58 Pages: 4925-4934
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.9b00917
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Route from the Folded to the Amyloid State: Exploring the Potential Energy Surface of a Drug‐Like Miniprotein (2019)
  • Author(s): Taricska Nora、Horvath Daniel、Menyhard Dora K.、Akontz‐Kiss Hanna、Noji Masahiro、So Masatomo、Goto Yuji、Fujiwara Toshimichi、Perczel Andras
  • Journal Title: Chemistry A European Journal Volume: 26 Pages: 1968-1978
  • DOI: 10.1002/chem.201903826
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural Insights into the Inhibition of Amyloid Fibril Formation by Fibrinogen via Interaction with Prefibrillar Intermediates (2019)
  • Author(s): Yamamoto Naoki、Akai Taiki、Inoue Rintaro、Sugiyama Masaaki、Tamura Atsuo、Chatani Eri
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 58 Pages: 2769-2781
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.9b00439
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 分子夾雑の生命化学(5) 分子夾雑のタンパク質物理化学－蛋白質凝集研究の進展とこれから (2019)
  • Author(s): 茶谷絵理; 後藤祐児
  • Journal Title: 現代化学(化学同人) Volume: 578 Pages: 26-30
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrasonication-based rapid amplification of α-synuclein aggregates in cerebrospinal fluid. (2019)
  • Author(s): 2. Kakuda K, Ikenaka K, Araki K, So M, Aguirre C, Kajiyama Y, Konaka K, Noi K, Baba K, Tsuda H, Nagano S, Ohmichi T, Nagai Y, Tokuda T, El-Agnaf O, Ogi H, Goto Y, Mochizuki H.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 9 Pages: 6001-6001
  • DOI: 10.1038/s41598-019-42399-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] BeStSel: a web server for accurate protein secondary structure prediction and fold recognition from the circular dichroism spectra. (2018)
  • Author(s): Micsonai, A., Wien, F., Bulyáki, E., Kun, J., Moussong, E., Lee, Y.-H., Goto, Y., Réfrégiers, M., Kardos, J.
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 46 (W1) Pages: 315-322
  • DOI: 10.1093/nar/gky497
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Aggregation-phase diagrams of β2-microglobulin reveal temperature and salt effects on competitive formation of amyloids versus amorphous aggregates (2018)
  • Author(s): Masayuki Adachi, Masahiro Noji, Masatomo So, Kenji Sasahara, Jozsef Kardos, Hironobu Naiki, Yuji Goto
  • Journal Title: J Biol Chem Volume: 293 Pages: 14775-14785
  • DOI: 10.1074/jbc.ra118.004683
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Heat-induced aggregation of hen ovalbumin suggests a key factor responsible for serpin polymerization. (2018)
  • Author(s): Noji, M., So, M., Yamaguchi, K., Hojo, H., Onda, .M., Akazawa-Ogawa, Y., Hagihara, Y. and Goto, Y.
  • Journal Title: Biochem. Volume: 57(37) Pages: 5415-5426
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.8b00619
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recent progress on understanding the mechanisms of amyloid nucleation (2018)
  • Author(s): Eri Chatani, Naoki Yamamoto
  • Journal Title: Biophysical Reviews Volume: 10 Pages: 527-534
  • DOI: 10.1007/s12551-017-0353-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A new look at an old view of denaturant induced protein unfolding (2018)
  • Author(s): Hall Damien、Kinjo Akira R.、Goto Yuji
  • Journal Title: Anal. Biochem. Volume: 542 Pages: 40-57
  • DOI: 10.1016/j.ab.2017.11.011
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Non-native alpha-helices in the initial folding intermediate facilitate the ordered assembly of the beta-barrel in beta-lactoglobulin (2017)
  • Author(s): Sakurai, K., Yagi, M., Konuma, T., Takahashi, S., Nishimura, C., Goto, Y.
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 56 Pages: 4799-4807
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.7b00458
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nanoscale Dynamics of Protein Assembly Networks in Supersaturated Solutions (2017)
  • Author(s): Matsushita Y.、Sekiguchi H.、Wong C. Jae、Nishijima M.、Ikezaki K.、Hamada D.、Goto Y.、Sasaki Y. C.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Pages: 13883-13883
  • DOI: 10.1038/s41598-017-14022-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Heparin-dependent aggregation of hen egg white lysozyme reveals two distinct mechanisms of amyloid fibrillation (2017)
  • Author(s): Nitani Ayame、Muta Hiroya、Adachi Masayuki、So Masatomo、Sasahara Kenji、Sakurai Kazumasa、Chatani Eri、Naoe Kazumitsu、Ogi Hirotsugu、Hall Damien、Goto Yuji
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 292 Pages: 21219-21230
  • DOI: 10.1074/jbc.m117.813097
  • NAID: 120006557632
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Salt-induced formations of partially folded intermediates and amyloid fibrils suggests a common underlying mechanism (2017)
  • Author(s): Goto Yuji、Adachi Masayuki、Muta Hiroya、So Masatomo
  • Journal Title: Biophysical Reviews Volume: 10 Pages: 493-502
  • DOI: 10.1007/s12551-017-0370-7
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Use of iodine staining as a sensitive probe to distinguish diverse structures of insulin amyloid fibrils. (2020)
  • Author(s): Eri Chatani;Takato Hiramatsu;Ha Seongmin;Yuki Masuda;Mitsuru Yasuda;Mika Ishigaki;Keisuke Yuzu;Yukihiro Ozaki
  • Organizer: Ulm Meeting-Biophysics of Amyloid Formation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Amyloid fibril formation of proteins limited by supersaturation. (2019)
  • Author(s): Yuji Goto
  • Organizer: University College London-Osaka University Strategic Partnership Kick-off Event
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Aggregation phase diagram shows a competitive mechanism for supersaturation-limited and -unlimited transition. (2019)
  • Author(s): Yuji Goto
  • Organizer: The 10th Toyota RIKEN International Workshop on Science of Life Phenomena Woven by Water and Biomolecules
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Comprehensive understanding of supersaturation-limited protein aggregation. (2019)
  • Author(s): Yuji Goto
  • Organizer: JSPS Core-to-Core Program Seminar: Toward a cure for amyloid diseases: a successful example of precision and translational medicine
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] トランスサイレチンのアミロイド線維形成に対するプロテアーゼの効果 (2019)
  • Author(s): 松村 美里;山本 直樹;山口 圭一;宗 正智;後藤 祐児;茶谷 絵理
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会 第71回日本細胞生物学会大会 合同年次大会
• [Presentation] Observation of phospholipid membrane disruption associated with the fibrillation of amyloid beta peptide. (2019)
  • Author(s): Eri Chatani
  • Organizer: One-Day Discussion Meeting on Dynamics of Chemical and Biological Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Aggregation phase diagram shows a competitive mechanism for supersaturation-limited and -unlimited transition (2019)
  • Author(s): Goto, Yuji
  • Organizer: Ulm Meeting: Biophysics of Amyloid Formation
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Exploring multi-step nucleation mechanisms of amyloid fibrils (2019)
  • Author(s): Chatani, Eri
  • Organizer: Ulm Meeting: Biophysics of Amyloid Formation
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Revisiting supersaturation as a factor determining amyloid fibrillation. (2018)
  • Author(s): Goto, Yuji
  • Organizer: The Astbury Conversation: Allostery in Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Supersaturation-limited phase transition of denatured proteins and its role in amyloidosis. (2018)
  • Author(s): Goto, Yuji
  • Organizer: 60th Annual Meeting of the Japanese Society for Neurochemistry
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Toward Understanding the Comprehensive Mechanism of Protein Aggregation (2018)
  • Author(s): Goto, Yuji
  • Organizer: International Symposium on Molecular Mechanism of Progression and Therapeutics of Amyloidosis in Shinshu
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 蛋白質凝集研究の歴史とアミロイドーシスの原理解明への展望 (2018)
  • Author(s): 後藤 祐児
  • Organizer: 第91回日本生化学会シンポジウム「アミロイドーシス発症の原理に基づく予測と予防の新展開」
  • Invited
• [Presentation] 分子夾雑環境での蛋白質凝集反応-アミロイド線維形成にもたらす他分子の共存効果 (2018)
  • Author(s): 茶谷 絵理、後藤 祐児
  • Organizer: 第18回日本蛋白質科学会 ワークショップ「分子夾雑の蛋白質科学」
  • Invited
• [Presentation] アミロイド線維の核形成に見られるタンパク質分子の集合挙動 (2018)
  • Author(s): 茶谷 絵理
  • Organizer: 新学術領域「中分子戦略」「分子夾雑化学」ジョイントシンポジウム 第21回生命化学研究会
  • Invited
• [Presentation] Revisiting supersaturation as a factor determining amyloid fibrillation. (2017)
  • Author(s): Yuji Goto
  • Organizer: The 2nd Joint Symposium of IPR, Osaka University, and RSC, ANU: Protein Structure and Function
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞夾雑系における蛋白質凝集の原理解明と制御を目指して (2017)
  • Author(s): 後藤祐児
  • Organizer: 分子夾雑系の生命化学 第1回公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Revisiting supersaturation as a factor determining amyloid fibrillation. (2017)
  • Author(s): Yuji Goto
  • Organizer: The 3rd Trilateral Workshop for Frontier Protein Studies
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 蛋白質の凝集と過飽和生命科学の開拓 (2017)
  • Author(s): 後藤祐児
  • Organizer: 長岡技術科学大学特別講演会
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質研究の歴史における凝集の位置づけと展望 (2017)
  • Author(s): 後藤祐児
  • Organizer: 蛋白研セミナー：産業応用を志向するタンパク質溶液研究
  • Invited
• [Remarks] 大阪大学国際医工情報センター、蛋白質凝集制御デバイス寄附研究部門
  • URL: https://supersaturation.sakura.ne.jp/
• [Remarks] 大阪大学蛋白質研究所構造形成研究室ホームページ
  • URL: http://www.protein.osaka-u.ac.jp/physical/yoeki.html
• [Remarks] 大阪大学・蛋白質研究所・蛋白質構造形成研究室
  • URL: http://www.protein.osaka-u.ac.jp/physical/yoeki.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 超音波発生部材、超音波照射装置および超音波変性観察装置 (2017)
  • Inventor(s): 後藤祐児、荻博次 他
  • Industrial Property Rights Holder: 大阪大学、コロナ電気
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2017