生命金属動態を制御するシャペロン分子ネットワークの解明

• Project Area: Integrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System
• Project/Area Number: 19H05765
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 古川 良明 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (40415287)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥82,940,000 (Direct Cost: ¥63,800,000、Indirect Cost: ¥19,140,000); Fiscal Year 2023: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2022: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2021: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2020: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2019: ¥19,500,000 (Direct Cost: ¥15,000,000、Indirect Cost: ¥4,500,000)
• Keywords: 金属シャペロン / 神経変性疾患 / 金属タンパク質 / 筋萎縮性側索硬化症 / SOD1

Outline of Research at the Start

生体に存在する金属イオンは、その種類や濃度について恒常性が維持されており、その破綻は様々な疾患を発症させる要因となる。特に、認知症や運動障害をもたらす神経変性疾患では、脳・神経組織における重金属イオンの異常な蓄積・欠乏が進行しており、その是正は治療法確立に向けた重要な標的となりうる。本研究では、銅イオンの運搬に関わるタンパク質「銅シャペロン」に着目し、銅イオンの恒常性を司る細胞内ネットワークの全貌を明らかにすることを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（SOD1, SodC）の成熟化過程に着目し、生体内における生命金属動態制御の理解と、その破綻がもたらす疾患発症機序の解明を目標としている。その実現に向けて本年度は、バクテリアSodCによる銅イオン獲得のメカニズムとヒトSOD1への銅・亜鉛イオンの結合メカニズムの解明に取り組んだ。まず、SodCによる銅イオン獲得のメカニズムについては、SOD1/SodCに保存された分子内ジスルフィド結合に関わるシステイン残基が、銅イオンや亜鉛イオンの獲得に重要な役割を果たしうることを明らかにできた。また、ヒトSOD1への銅・亜鉛イオン結合プロセスにおいては、分子内ジスルフィド結合が形成していると、銅・亜鉛イオンの結合サイトに金属イオンがランダムに結合してしまうことがわかった。特に、銅イオン結合サイトへの亜鉛イオンの結合を防ぐためには、ジスルフィド結合が切断されている必要があった。以上より、SOD1やSodCへの金属イオン結合は、ジスルフィド結合に形成するシステイン残基によって制御されていることがわかった。これらの成果は、２報の原著論文として報告するとともに、６件の招待講演として発表を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

1. バクテリアSodCによる銅イオン獲得のメカニズム
バクテリアにはCCSに対応する銅シャペロンが存在せず、SodC（バクテリアの銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ）が銅イオンを獲得するメカニズムは明らかでない。本年度は、SodCが有する２つのCys残基が配位子となってCu2+を強力に捕捉できることを見出した。さらに、自動酸化によって分子内S-S結合が形成するとともに、銅イオンがSodC本来の銅イオン結合部位に移動して活性型となった。S-S結合の形成によってSodCの構造安定性が増大することから、Cys残基には二重の役割があることを提案できた。

2. 金属イオンが量的に制限された環境でのSOD1成熟化を可能にするメカニズム
銅・亜鉛イオンを結合していないアポ型SOD1は、構造不安定化を通じて疾患の発症要因となりうるため、生体内における全てのSOD1は銅・亜鉛イオンが結合したホロ型として存在する必要がある。しかし、生命金属が量的に制限された細胞内環境では、SOD1に対して準化学量論量の金属イオンしか利用できない可能性が考えられる。つまり、ホモ二量体であるSOD1のそれぞれのサブユニットに対して、金属イオンをどのようにして均しく結合させうるのかを明らかにする必要がある。本研究では、ネイティブ質量分析法を利用することで、各サブユニットへの金属イオン結合分布を明らかにし、いずれのサブユニットにも金属イオンが結合したホモ二量体への成熟化を可能にするメカニズムを提案できた。

Strategy for Future Research Activity

SOD1への金属イオン結合プロセスの不全は、タンパク質ミスフォールディングの要因となることが知られている。SOD1のミスフォールディングは筋萎縮性側索硬化症（ALS）にみられる病理学的変化の一つであることから、本年度に得られたSOD1への金属イオン結合を制御するメカニズムに関する知見を活かすことで、ALSにみられるSOD1のミスフォールディング機序の解明を進める。

Research Products

• [Journal Article] Novel oxindole compounds inhibit the aggregation of amyloidogenic proteins associated with neurodegenerative diseases (2022)
  • Author(s): Kimura Shintaro、Kamishina Hiroaki、Hirata Yoko、Furuta Kyoji、Furukawa Yoshiaki、Yamato Osamu、Maeda Sadatoshi、Kamatari Yuji O.
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects Volume: 1866 Issue: 5 Pages: 130114-130114
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2022.130114
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Metal distribution in Cu/Zn-superoxide dismutase revealed by native mass spectrometry (2022)
  • Author(s): Tajiri Michiko、Aoki Hiroto、Shintani Atsuko、Sue Kaori、Akashi Satoko、Furukawa Yoshiaki
  • Journal Title: Free Radical Biology and Medicine Volume: 183 Pages: 60-68
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2022.03.014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A dual role of cysteine residues in the maturation of prokaryotic Cu/Zn-superoxide dismutase (2021)
  • Author(s): Furukawa Yoshiaki、Shintani Atsuko、Kokubo Teppei
  • Journal Title: Metallomics Volume: 13 Issue: 9
  • DOI: 10.1093/mtomcs/mfab050
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oxidative misfolding of Cu/Zn-superoxide dismutase triggered by non-canonical intramolecular disulfide formation (2020)
  • Author(s): Anzai Itsuki、Tokuda Eiichi、Handa Sumika、Misawa Hidemi、Akiyama Shuji、Furukawa Yoshiaki
  • Journal Title: Free Radical Biology and Medicine Volume: 147 Pages: 187-199
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2019.12.017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Prion-like Properties of Misfolded Cu/Zn-superoxide Dismutase in Amyotrophic Lateral Sclerosis: Update and Perspectives (2019)
  • Author(s): Tokuda Eiichi、Marklund Stefan L.、Furukawa Yoshiaki
  • Journal Title: YAKUGAKU ZASSHI Volume: 139 Issue: 7 Pages: 1015-1019
  • DOI: 10.1248/yakushi.18-00165-5
  • NAID: 130007670812
  • ISSN: 0031-6903, 1347-5231
  • Year and Date: 2019-07-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sequence- and seed-structure-dependent polymorphic fibrils of alpha-synuclein (2019)
  • Author(s): Tanaka Goki、Yamanaka Tomoyuki、Furukawa Yoshiaki、Kajimura Naoko、Mitsuoka Kaoru、Nukina Nobuyuki
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease Volume: 19 Issue: 6 Pages: 30065-1
  • DOI: 10.1016/j.bbadis.2019.02.013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Wild-type Cu/Zn-superoxide dismutase is misfolded in cerebrospinal fluid of sporadic amyotrophic lateral sclerosis (2019)
  • Author(s): Tokuda Eiichi、Takei Yo-ichi、Ohara Shinji、Fujiwara Noriko、Hozumi Isao、Furukawa Yoshiaki
  • Journal Title: Molecular Neurodegeneration Volume: 14 Issue: 1 Pages: 42-42
  • DOI: 10.1186/s13024-019-0341-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Mechanism of Copper Acquisition by Bacterial Cu/Zn-Superoxide Dismutase (2021)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A dual role of cysteine residues in the maturation of prokaryotic Cu/Zn-superoxide dismutase (2021)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 筋萎縮性側索硬化症に見られるタンパク質凝集のメカニズム (2021)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: 第8回日本アミロイドーシス学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 筋萎縮性側索硬化症における生命金属動態の破綻とSOD1タンパク質のミスフォールディング (2021)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: メタルバイオサイエンス研究会2021
  • Invited
• [Presentation] 細胞内で金属イオンを失ったSOD1タンパク質が辿る運命 (2021)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] 酸化ストレスに伴う金属タンパク質のミスフォールディングと神経変性疾患 (2021)
  • Author(s): 古川良明
  • Organizer: 第74回日本酸化ストレス学会・第21回日本NO学会
  • Invited
• [Presentation] 銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼへの金属イオン結合の解析 (2021)
  • Author(s): 古川良明、田尻道子、明石知子
  • Organizer: 第47回生体分子科学討論会
• [Presentation] 大腸菌におけるスーパーオキシドディスムターゼの銅イオン獲得メカニズム (2020)
  • Author(s): 古川 良明
  • Organizer: 日本農芸化学会大会2020
  • Invited
• [Presentation] Demetallated Cu/Zn-superoxide dismutase as a pathogenic entity causing neurodegeneration (2019)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa
  • Organizer: Towards a cure for amyloid diseases: a successful example of precision and translational medicine
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Misfolded SOD1 as a pathological species in sporadic forms of amyotrophic lateral sclerosis (2019)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa
  • Organizer: The 4th Joint Conference between KMU and Keio University
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] タンパク質のミスフォールディングがもたらす神経変性疾患 (2019)
  • Author(s): 古川 良明
  • Organizer: 医工連携シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Demetallated Cu/Zn-superoxide dismutase as a pathogenic entity causing neurodegeneration (2019)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa
  • Organizer: Biometal Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A misfolding of Cu/Zn-superoxide dismutase in amyotrophic lateral sclerosis (2019)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa
  • Organizer: The 10th APRU Population Aging Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A misfolding mechanism of Cu/Zn-superoxide dismutase under oxidative conditions of amyotrophic lateral sclerosis (2019)
  • Author(s): Yoshiaki Furukawa, Itsuki Anzai, Eiichi Tokuda, Atsushi Mukaiyama, Shuji Akiyama
  • Organizer: 15th International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 神経変性疾患関連タンパク質SOD1の自己酸化によるミスフォールディング機構 (2019)
  • Author(s): 安齋 樹、徳田 栄一、向山 厚、秋山 修志、古川 良明
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 銅シャペロンCCSがSOD1タンパク質に銅イオンを供給するメカニズム (2019)
  • Author(s): 羽飼 友昭、福岡 真実、古川 良明
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 大腸菌における銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼの生理的役割 (2019)
  • Author(s): 古川 良明、吉田 昴生
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] バクテリアにおける銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼの生理的役割 (2019)
  • Author(s): 古川 良明、吉田 昂生、草野 孝央、高橋 愛海
  • Organizer: メタルバイオサイエンス研究会2019
• [Remarks]
  • URL: https://furukawa-lab.org
• [Remarks]
  • URL: https://bio-metal.org
• [Remarks] 生命金属科学（IBmS） | 生命の金属活用戦略を知る
  • URL: https://bio-metal.org
• [Remarks] Integrated Bio-metal Science
  • URL: https://ibms.mixh.jp
• [Remarks] 生命機構化学研究室
  • URL: https://furukawa-lab.org