クロススケール細胞内分子構造動態解析が解明するタンパク質凝集化による神経変性機構

• Project Area: New cross-scale biology
• Project/Area Number: 21H05257
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 田中 元雅 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, チームリーダー (40321781)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥91,780,000 (Direct Cost: ¥70,600,000、Indirect Cost: ¥21,180,000); Fiscal Year 2025: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2024: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000); Fiscal Year 2023: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); Fiscal Year 2022: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000); Fiscal Year 2021: ¥24,310,000 (Direct Cost: ¥18,700,000、Indirect Cost: ¥5,610,000)
• Keywords: アミロイド / プリオン / タンパク質凝集体 / 凝集体 / 相分離 / クロススケール計測 / ミスフォールディング / 凝集化 / 認知症 / プロファイリング / クロススケール / 凝集 / 計測 / タンパク質凝集 / 神経変性疾患

Outline of Research at the Start

細胞内のアミロイドは構造、サイズ、局在が多様な“メゾ複雑体”であり、その分布の違いは異なる細胞機能障害や毒性をもたらす。そのため、細胞内に存在するアミロイドの多様性に焦点をあてアミロイドの生成・脱凝集過程を理解することは疾患メカニズムを解明する上で重要な課題である。本研究ではクロススケール細胞計測センターでの様々な構造解析を行うことで、細胞内の中でおこるアミロイドの生成・脱凝集過程の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、酵母プリオンSup35や認知症に関わるタウやαシヌクレインの凝集・脱凝集メカニズム解明のためのタンパク質構造の計測および細胞実験系の構築を行った。タウを用いてヒト疾患型アミロイドを再現させる手法を用いて、その構造を決定した。それを、細胞やマウスへ注入した結果、野生型タウに対しても顕著なシーディング効果を見出し、今後の解析へ向けた細胞・マウスの実験プラットホームを開発した。原子間力顕微鏡などからアミロイドの物性解析を行い、細胞内環境に依存して、離合集散の性質が大きく変化することを見出し、その結果が、翻訳後修飾によるアミロイド物性の変化や脱凝集のされやすさと非常によい相関があることを実験的に見出した。αシヌクレインに関しても線維構造を決定し、アミロイド構造に依存して脱凝集効率が異なること見出した。その脱凝集過程の詳細を明らかにするため、全反射照明蛍光顕微鏡を用いた蛍光ラベル実験系の開発を進めた。さらに、精製タンパク質や培養細胞を用いて、ポストシナプスタンパク質の液滴形成や、それが疾患関連タンパク質の液滴と相互作用する様式や液滴の共存および解離についての新たな知見を得た。さらにポストタンパク質群の拡張や培養細胞を用いた誘導型液滴形成実験系の確立を目指した実験を進めた。さらに、昨年度に引き続き、領域内のクロススケール細胞計測センターにおいて、NMR実験および微量タンパク質の質量解析実験を共同で行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

構造やサイズの異なる様々なメゾ複雑体を定量する技術や相分離実験系の開発が順調に進展しているため。

Strategy for Future Research Activity

相分離実験に関しては、相分離メゾ複雑体の構造を分光学的に解析する手法の開発と細胞内でシナプスタンパク質の相分離を制御し、その物性、構造の経時変化の解析に注力する。クライオ電子顕微鏡および原子間力顕微鏡での解析に関しては引き続き、タウやαシヌクレインなどのヒト疾患関連アミロイドの構造多型や物性に着目した実験および脱凝集実験をさらに進める。本年度はリコンビナント蛋白質に加え、死後脳由来のシードをモアちいた実験も進める予定である。周波数変調原子間力顕微鏡や高速原子間力顕微鏡を用いたタンパク質の動的構造解析に関してはクロススケール細胞計測センターと協同で、これまでに進展させてきた測定系の最適化をさらに進める予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UCLA(米国)
• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学ロサンゼルス校(米国)
• [Int'l Joint Research] UCLA(米国)
• [Journal Article] Dynamic Behaviors of Intracellular Molecules Revealed by New Microscopic Technologies (2023)
  • Author(s): 井澤 俊明、稲葉 謙次、齊藤 知恵子、山本 林、関根 清薫、倉永 英里奈、野村 高志、田中 元雅
  • Journal Title: KENBIKYO Volume: 58 Issue: 2 Pages: 66-70
  • DOI: 10.11410/kenbikyo.58.2_66
  • ISSN: 1349-0958, 2434-2386
  • Year and Date: 2023-08-30
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] <scp>DISC1</scp> protein aggregates in cerebrospinal fluid as a potential diagnostic biomarker for first‐episode psychosis (2023)
  • Author(s): Suryawanshi Nayan、Tanaka Motomasa
  • Journal Title: Psychiatry and Clinical Neurosciences Volume: 77 Issue: 12 Pages: 630-630
  • DOI: 10.1111/pcn.13604
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dysregulation of ribosome-associated quality control elicits cognitive disorders via overaccumulation of TTC3 (2023)
  • Author(s): Endo R., Chen Y.K., Burke J., Takashima N., Suryawanshi N., Hui K.K., Miyazaki T., Tanaka M.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. Volume: 120 Issue: 12
  • DOI: 10.1073/pnas.2211522120
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Liquid–liquid phase separation and amyloid formation/disaggregation of disease-associated proteins (2022)
  • Author(s): 野村高志、田中元雅
  • Journal Title: 生化学 Volume: 94 Issue: 4 Pages: 566-573
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2022.940566
  • ISSN: 0037-1017
  • Year and Date: 2022-08-25
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] How Staying Negative Is Good for the (Adult) Brain: Maintaining Chloride Homeostasis and the GABA-Shift in Neurological Disorders. (2022)
  • Author(s): Hui K.K., Chater T.E., Goda Y., Tanaka M.
  • Journal Title: Front. Mol. Neurosci. Volume: 15 Pages: 893111-893111
  • DOI: 10.3389/fnmol.2022.893111
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] アミロイドの脱凝集メカニズムを解明 (2022)
  • Author(s): 田中元雅、中川幸姫
  • Journal Title: 化学 Volume: 77 Pages: 17-21
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Amyloid conformation-dependent disaggregation in a reconstituted yeast prion system (2022)
  • Author(s): Nakagawa Y, Shen HC, Komi Y, Sugiyama S, Kurinomaru T, Tomabechi Y, Krayukhina E, Okamoto K, Yokoyama T, Shirouzu M, Uchiyama S, Inaba M, Niwa T, Sako Y, Taguchi H, Tanaka M
  • Journal Title: Nat Chem Biol. Volume: 18 Issue: 3 Pages: 321-331
  • DOI: 10.1038/s41589-021-00951-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Engineered chaperone-mediated disaggregation and degradation of yeast prions (2024)
  • Author(s): Motomasa Tanaka
  • Organizer: GRC Protein Folding, Jan 9, 2024
• [Presentation] Engineered chaperone-mediated disaggregation and degradation of yeast prions (2023)
  • Author(s): Motomasa Tanaka
  • Organizer: The 27th Biophysics Conference (Taiwan)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cross-scale analysis of amyloid-associated neurodegenerative disorders (2023)
  • Author(s): Motomasa Tanaka
  • Organizer: The 3rd Meeting of Cross-Scale Biology: Transformative Research Area (A)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 酵母に託すプリオン現象の解明 (2023)
  • Author(s): 田中 元雅
  • Organizer: 第24回酵母合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 細胞ストレスに応答するアミロイド脱凝集酵素群の作用機序解明 (2023)
  • Author(s): 田中 元雅
  • Organizer: 第96回日本生化学会
  • Invited
• [Presentation] Motomasa Tanaka (2023)
  • Author(s): Engineered chaperone-mediated disaggregation and degradation of yeast prions
  • Organizer: 第23回日本蛋白質科学会
  • Invited
• [Presentation] Cross-scale analysis of amyloid structure and function (2023)
  • Author(s): Motomasa Tanaka
  • Organizer: The 46th Annual Meeting of the Molecular Biology Society of Japan
  • Invited
• [Presentation] 新規な再構成系を用いたアミロイドの脱凝集機構解明 (2022)
  • Author(s): 田中 元雅
  • Organizer: 第63回日本神経病理学会総会学術研究会
  • Invited
• [Presentation] アミロイド脱凝集過程の解析を通したプロテオスタシス制御機構の解明 (2022)
  • Author(s): 田中 元雅、中川 幸姫、小見 悠介
  • Organizer: 第74回日本細胞生物学会大会
  • Invited
• [Presentation] Cross-scale analysis of yeast prion propagation in cells (2022)
  • Author(s): Motomasa Tanaka
  • Organizer: The 60th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Invited
• [Presentation] Engineered chaperone-mediated disaggregation and degradation of yeast prions (2022)
  • Author(s): Motomasa Tanaka
  • Organizer: Asia Pacific Prion Symposium 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Amyloid conformation-dependent disaggregation revealed by a reconstituted yeast prion system (2021)
  • Author(s): Yoshiko Nakagawa, Motomasa Tanaka
  • Organizer: APPS2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] 生体分子環境の化学 （ＣＳＪカレントレビュー：45） (2023)
  • Author(s): 野村高志、田中元雅
  • Total Pages: 208
  • Publisher: 化学同人
  • ISBN: 9784759814057
• [Book] 生体分子環境の化学 (2023)
  • Author(s): 野村高志、田中元雅、他（日本化学会編）
  • Total Pages: 173
  • Publisher: 化学同人
  • ISBN: 9784759814057
• [Remarks] 神経疾患の鍵を握る細胞の“品質管理”
  • URL: https://www.riken.jp/pr/closeup/2023/20230524_1/index.html
• [Remarks] Making a bad situation worse
  • URL: https://www.riken.jp/medialibrary/riken/pr/publications/riken_research/2023/rr202309.pdf
• [Remarks] タンパク質の品質管理
  • URL: https://cbs2.riken.jp/magazine/06/#page=9
• [Remarks]
  • URL: http://motomasalab.riken.jp/index.html
• [Remarks] アミロイドの脱凝集メカニズムを解明
  • URL: https://www.riken.jp/press/2022/20220218_1/index.html
• [Funded Workshop] RIKEN Pioneering Project: Biology of Intracelluar Environment (2024)