タンパク質品質管理を支える電子移動媒体としての超硫黄分子の役割

• Project Area: Life Science Innovation Driven by Supersulfide Biology
• Project/Area Number: 21H05268
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Kyoto Sangyo University
• Principal Investigator: 潮田 亮 京都産業大学, 生命科学部, 准教授 (30553367)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥72,280,000 (Direct Cost: ¥55,600,000、Indirect Cost: ¥16,680,000); Fiscal Year 2024: ¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000); Fiscal Year 2023: ¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000); Fiscal Year 2022: ¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000); Fiscal Year 2021: ¥19,370,000 (Direct Cost: ¥14,900,000、Indirect Cost: ¥4,470,000)
• Keywords: タンパク質品質管理 / 小胞体 / 分子シャペロン / レドックス / フォールディング / カルシウム

Outline of Research at the Start

小胞体のレドックス環境はサイトゾルと比べ、酸化的な環境とこれまで信じられてきた。タンパク質品質管理に関わる電子受容体または電子シグナル媒体としての超硫黄分子・超硫黄修飾の役割を明らかにし、新たな電子伝達経路の発見を目指す。超硫黄の関与というこれまでとは全く異なる切り口でタンパク質品質管理のメカニズムを解明することで、タンパク質品質管理機構の破綻（小胞体ストレス）によって引き起こされる様々な疾病の新たな治療法開発につながる基盤を構築する。

Outline of Annual Research Achievements

小胞体はタンパク質フォールディングの場とされ、様々な分子シャペロンや酸化異性化酵素によって、フォールディングが介助される。代表的なフォールディング基質であるIgGは抗体医薬品の普及により、その供給が薬価に大きく影響を与えるなど、IgG生産量の改善は大きな注目を集めている。IgGは、軽鎖と重鎖が硫黄を介したジスルフィド結合形成によって、複合体を形成している。CHO細胞を用いた培養では、これまで培養後期にIgGの産生効率が著しく低下することが課題であった。今回、第一三共株式会社との共同研究によって、小胞体の代表的な分子シャペロンBiPのプロモーターを導入することにより、従来の抗体産生量をおよそ2倍に向上させ、これら成果をまとめることが出来た（Tanemura et al. 2022）。BiPは、小胞体ストレスによって誘導される代表的な分子シャペロンであり、抗体産生効率の向上と小胞体プロテオスタシスの維持、特にジスルフィド結合形成効率との関係は興味深い。また、小胞体は細胞のカルシウムイオン貯蔵庫として働き、放出したカルシウムイオンは、様々な生命現象のセカンドメッセンジャーとして機能する。今回、小胞体カルシウムイオンチャネルのイオン輸送能が、ジスルフィド結合の形成と解離によって制御されることがわかり、小胞体の酸化酵素および還元酵素がその制御に関与することを明らかにした（Fujii et al. 2023）。

Current Status of Research Progress

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

Reason

実験に必要なラジオアイソトープの生産がストップし、当初の計画が延期となった。しかし、IgG抗体の産生量を向上するプロモーターを同定でき、学術的・社会的にもインパクトのある成果をまとめることが出来た。また、カルシウムイオンチャネルのレドックス制御を明らかにし、活性化および不活性化に必要な酵素群を同定することが出来た。これらの研究成果は、タンパク質の持つ硫黄がその構造形成・活性に重要な役割を果たすことを明らかにしたものであり、その調節機構の詳細を理解することが今後の研究の課題にもなるだろう。概ね研究計画通りに進んでいると言える。

Strategy for Future Research Activity

還元酵素ERdj5の還元反応は、タンパク質品質管理において末期的ミスフォールドタンパク質のジスルフィド結合を切断することにより、逆行輸送チャネルとの立体障害を低減し、基質の小胞体からサイトゾルへの逆行輸送を効率化する。また、ERdj5は小胞体膜に存在するカルシウムポンプやチャネルのジスルフィド結合を解離し、それぞれのカルシウム輸送活性を制御することを見出した。ERdj5が還元酵素として機能するためには、ERdj5へ電子を供給するための電子ドナーが必要とされる。還元酵素ERdj5への硫黄を媒体とした電子伝達機構を明らかにする。
小胞体のレドックス環境は、酸化型グルタチオン（GSSG）と還元型グルタチオン（GSH）
との平衡によって維持され、小胞体ではGSSG:GSH比はおよそ1:1に保たれている。グルタチオンは、グルタチオン合成酵素によってサイトゾルで合成され、小胞体内腔におけるグルタチオン濃度は高く維持されているにも関わらず、どのように小胞体内腔に輸送されるのか全く分かっていない。本研究では小胞体グルタチオン輸送体の同定に挑んでいる。昨年度、候補因子の高純度精製に成功しており、引き続きクライオ電顕で輸送体の構造を明らかにしたいと考えている。

Research Products

• [Journal Article] Redox states in the endoplasmic reticulum directly regulate the activity of calcium channel, inositol 1,4,5-trisphosphate receptors (2023)
  • Author(s): Shohei Fuji, Ryo Ushioda, Kazuhiro Nagata
  • Journal Title: The Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a stable antibody production system utilizing an Hspa5 promoter in CHO cells (2022)
  • Author(s): Tanemura Hiroki、Masuda Kenji、Okumura Takeshi、Takagi Eri、Kajihara Daisuke、Kakihara Hirofumi、Nonaka Koichi、Ushioda Ryo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 7239-7239
  • DOI: 10.1038/s41598-022-11342-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ca2+ imbalance caused by ERdj5 deletion affects mitochondrial fragmentation (2021)
  • Author(s): Riyuji Yamashita , Shohei Fujii , Ryo Ushioda , Kazuhiro Nagata
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 20772-20772
  • DOI: 10.1038/s41598-021-99980-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] レドックス制御に基づく小胞体ホメオスタシスの理解 (2023)
  • Author(s): 潮田 亮
  • Organizer: 第２回日本医学会連合Rising Starリトリート
  • Invited
• [Presentation] A new platform formed by JDP-Hsp70 for protein quality control in the ER (2023)
  • Author(s): Ryo Ushioda
  • Organizer: J-domain proteins from molecular mechanisms to diseases International Workshop (CSSI)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] レドックス制御を介した小胞体ストレスセンサーの 感知機構の解明 (2022)
  • Author(s): 和田 匠太、永田 和宏、潮田 亮
  • Organizer: 超異分野学会 東京大会2022
• [Presentation] タンパク質品質管理を支える電子移動媒体としての超硫黄分子の役割 (2022)
  • Author(s): 潮田 亮
  • Organizer: 学術変革A「硫黄生物学」第1回領域会議
• [Presentation] レドックス制御を介した小胞体ストレスセンサーATF6 制御機構の解明 (2022)
  • Author(s): 和田 匠太、永田 和宏、潮田 亮
  • Organizer: 第68回日本生化学会近畿支部例会
• [Presentation] 近接依存性標識を用いた小胞体タンパク質品質管理機構の評価 (2022)
  • Author(s): 杉澤 亜美、岸本 哲拡、潮田 亮
  • Organizer: 第68回日本生化学会近畿支部例会
• [Presentation] 酸化反応の場としての小胞体から、還元反応の場としての小胞体へ (2022)
  • Author(s): 潮田 亮
  • Organizer: 微研セミナー
  • Invited
• [Presentation] Maintenance of Endoplasmic Reticulum Homeostasis through Redox Regulation (2022)
  • Author(s): Ryo Ushioda
  • Organizer: Cellular and Protein Homeostasis webinar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] レドックス制御を介した小胞体タンパク質品質管理 (2022)
  • Author(s): 潮田 亮
  • Organizer: 第3回 日本結合組織学会若手セミナー
  • Invited
• [Presentation] 近接依存性標識を用いた小胞体タンパク質品質管理機構の評価 (2022)
  • Author(s): 杉澤 亜美、岸本 哲拡、潮田 亮
  • Organizer: 第74回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] レドックス制御を介した小胞体ストレスセンサーATF6 制御機構の解明 (2022)
  • Author(s): 和田 匠太、潮田 亮
  • Organizer: 第15回小胞体ストレス研究会 若手の会
• [Presentation] コラーゲン特異的分子シャペロン Hsp47 の負荷に応答した転写調節機構 の解明 (2022)
  • Author(s): 葛西 綾乃、潮田 亮
  • Organizer: 第15回小胞体ストレス研究会 若手の会
• [Presentation] レドックス制御を介した小胞体恒常性維持機構 (2022)
  • Author(s): 潮田 亮
  • Organizer: 第15回小胞体ストレス研究会
• [Presentation] 小胞体の機能を支えるオルガネラ環境の探求 (2022)
  • Author(s): 藤井 唱平、潮田 亮
  • Organizer: 第15回小胞体ストレス研究会
• [Presentation] レドックス制御を介した小胞体ストレスセンサーATF6 制御機構の解明 (2022)
  • Author(s): 和田 匠太、潮田 亮
  • Organizer: 第15回小胞体ストレス研究会
• [Presentation] 近接依存性標識を用いた小胞体タンパク質品質管理機構の評価 (2022)
  • Author(s): 杉澤 亜美、潮田 亮
  • Organizer: 第15回小胞体ストレス研究会
• [Presentation] タンパク質品質管理を支える電子移動媒体としての超硫黄分子の役割 (2022)
  • Author(s): 潮田 亮
  • Organizer: 学術変革領域(A)「硫黄生物学」第２回領域会議
• [Presentation] ER Redox shift through the ribosome translation (2022)
  • Author(s): Ryo Ushioda
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 液-液相分離によって形成される新たなタンパク質品質管理プラットフォーム (2022)
  • Author(s): 杉澤 亜美、潮田 亮
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会
• [Presentation] 小胞体における新たなタンパク質品質管理プラットフォームの形成 (2022)
  • Author(s): 潮田 亮
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会 シンポジウム
• [Presentation] 液-液相分離によって形成される新たなタンパク質品質管理プラットフォーム (2022)
  • Author(s): 杉澤 亜美、潮田 亮
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 小胞体レドックス環境を構築するグルタチオン輸送機構の解明 (2022)
  • Author(s): 堤 智香、田原 諒佑、坂本 龍太、渡邊 弘樹、永田 和宏、潮田 亮
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Presentation] レドックス制御を介した小胞体ストレスセンサー制御機構の解明 (2022)
  • Author(s): 和田 匠太、永田 和宏、潮田 亮
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Maintenance of Endoplasmic Reticulum Homeostasis through Redox Regulation (2021)
  • Author(s): Ryo Ushioda
  • Organizer: Paris Redox 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ストレス応答としての小胞体レドックスシフト (2021)
  • Author(s): 潮田 亮
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会シンポジウム
• [Presentation] 新たな小胞体ストレスセンサーATF6制御機構の解明 (2021)
  • Author(s): 和田 匠太、潮田 亮、永田 和宏
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会
• [Presentation] レドックス制御を介した小胞体ストレスセンサーATF6 の活性化機構の解明 (2021)
  • Author(s): 和田 匠太、潮田 亮
  • Organizer: レドックス R&D 戦略委員会 第１回若手シンポジウム
• [Presentation] 小胞体還元酵素 ERp18 の亜鉛イオン依存的な活性制御の解明 (2021)
  • Author(s): 上垣 日育、潮田 亮
  • Organizer: レドックス R&D 戦略委員会 第１回若手シンポジウム
• [Presentation] Mechanisms of ER-associated degradation pathway mediated by the cooperation of ERdj5 and BiP (2021)
  • Author(s): XIAOHAN CAI 、伊藤 翔悟、 野井 健太郎、井上 道雄、潮田 亮、永田 和宏、稲葉 謙次
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ストレス応答としての小胞体レドックスシフトと恒常性維持 (2021)
  • Author(s): 潮田 亮、上垣 日育、山下 龍志、永田 和宏
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 小胞体レドックス環境を構築するグルタチオン供給機構の解明 (2021)
  • Author(s): 堤 智香、田原 諒佑、永田 和宏、潮田 亮
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Book] 総合学術研究所所報第17号 (2023)
  • Author(s): 潮田 亮
  • Total Pages: 161
  • Publisher: 京都産業大学総合学術研究所
• [Book] セントラルドグマの新常識 (2022)
  • Author(s): 上垣 日育、永田 和宏、潮田 亮 他
  • Total Pages: 264
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 4758104042
• [Book] 生化学 Vol. 93, No. 5 (2021)
  • Author(s): 藤井 唱平、潮田 亮
  • Total Pages: 789
  • Publisher: 公益社団法人 日本生化学会
• [Remarks] 潮田研ホームページ
  • URL: https://ushioda-lab.com/
• [Remarks] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/ushioda