硫化水素によるシグナル伝達

• Project Area: Life Science Innovation Driven by Supersulfide Biology
• Project/Area Number: 21H05271
• 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 Science Tokyo
• Principal Investigator: 増田 真二 東京工業大学, 生命理工学院, 教授 (30373369)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 清水 隆之 奈良女子大学, 自然科学系, 准教授 (90817214)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥81,120,000 (Direct Cost: ¥62,400,000、Indirect Cost: ¥18,720,000); Fiscal Year 2025: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000); Fiscal Year 2024: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000); Fiscal Year 2023: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000); Fiscal Year 2022: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000); Fiscal Year 2021: ¥20,410,000 (Direct Cost: ¥15,700,000、Indirect Cost: ¥4,710,000)
• Keywords: 硫化水素 / 超硫黄 / 光合成細菌 / 土壌細菌 / 転写制御 / 活性硫黄分子種 / 大腸菌 / 転写因子 / 細菌 / 活性硫黄

Outline of Research at the Start

細胞内における硫化水素の認識とシグナル伝達のメカニズム、またその生理的重要性の解明を目的に、細菌の硫化水素応答時のセンサータンパク質の修飾状態と遺伝子発現変化の精査、また硫化水素を基質とした超硫黄分子の合成と代謝過程を調べ、硫化水素のシグナル伝達に超硫黄分子が果たす役割を明らかにする。大腸菌や光合成細菌の硫化水素応答性転写因子の欠失変異株を作出し、その表現型を精査することで、硫化水素に応答した転写調節の生理的重要性を明らかにする。得られた知見を基に、新たな抗生物質のターゲットや腫瘍の診断への応用、さらには海洋エネルギー資源の開発にむけた、硫化水素・超硫黄分子利用の可能性を検討する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではいくつかの細菌種を用いて硫化水素応答時のセンサータンパク質の修飾状態と遺伝子発現変化を精査し、細胞内における硫化水素の認識とシグナル伝達のメカニズム、またその生理的重要性を解明することを目指している。2023年度は以下の項目の研究を進めた。

1)大腸菌のYgaVの生化学的解析: 昨年度までに大腸菌のSqrRホモログ(YgaV)は高濃度の硫化水素イオンにより同様の修飾を直接形成しうることがわかった。この反応性の違いが何に起因するのかを、SqrRとの比較生化学的解析により明らかにすることを試みた。その結果、両者共に高濃度の硫化ナトリウム添加により分子内の架橋がかかることがわかった。この結果から、YgaVとSqrRは細胞内においては硫化水素ではなく活性硫黄分子種により主に修飾を受けると考えられた。
2)タマネギ感染菌における活性硫黄分子種の役割:タマネギは抗菌物質として作用するさまざまな硫黄化合物をつくり、タマネギに感染する細菌はこれら硫黄化合物に応答するシステムを有していると考えられる。そこで活性硫黄分子依存のシグナル伝達に関する研究成果の応用的展開を見据え、タマネギ感染菌 Burkholderiaにおけるタマネギ感染時にはたらく転写因子の同定を進めた。タマネギ抽出液をこの菌の培養液を添加し、その際に発現が上昇する遺伝子をRNA-seq解析により網羅的に調べたところ、特徴的に発現が上昇する遺伝子クラスターを同定した。この遺伝子クラスター内に存在する転写因子を同定し、その変異体を調べたところ、タマネギ抽出液を添加した際のこのクラスターの遺伝子発現が変化しなかった。つまりこの転写因子がタマネギ由来の何らかの分子を認識し、必要な遺伝子の発現を調節していることが強く示唆された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初予定していた実験が遂行できたため

Strategy for Future Research Activity

これまでの成果を踏まえ、2023年度は以下の項目の研究を進める予定。
1)大腸菌のYgaVの生理学的解析: 紅色光合成細菌の硫化水素依存型転写因子SqrRは活性硫黄分子種依存的に分子内テトラスフィド結合を形成することがわかっ ている。一方、 このYgaVの転写制御の生理的役割はよくわかっていない。そこで大腸菌の硫化水素合成酵素（MstA）の過剰発現体を作成し、そのRNA seq解析を行なう。得られた結果から硫化水素過剰合成で発現が変化した遺伝子を同定し、それらの遺伝子発現が上昇する大腸菌内の硫化水素濃度が上昇する条件下において、YgaV依存的に発現上昇する遺伝子かどうかをRNA解析により調べる。
2)紅色細菌の活性硫黄分子代謝とシグナリングの関係性: 紅色細菌内の活性硫黄分子種の組成変化を基にその代謝過程を予想したところ、SQRによる硫化水素酸化後の活性硫黄分子種の代謝過程が2022年度までに予想された。そこでこの代謝に関わると予想されたいくつかの代謝酵素の変異体を作出し、活性硫黄分子種の代謝とそのシグナリングの関係性を調べたところ、いくつかの変異体において硫化水素が酸化された後に蓄積する元素状硫黄が細胞外ではなく細胞内に蓄積するものがあることがわかった。この結果は、変異を加えた遺伝子が元素状硫黄を細胞外へ排出するトランスポータをコードしている可能性が高いことを示している。2024年度はこの遺伝子の解析を進める。
3）Burkholderiaより単離したタマネギ抽出液応答性の転写因子の機能解析を進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Indiana University(米国)
• [Journal Article] Translation Enhancement by a Short Nucleotide Insertion at 5′UTR: Application to an In Vitro Cell-Free System and a Photosynthetic Bacterium (2023)
  • Author(s): Kondo Tomo、Shimizu Takayuki
  • Journal Title: Applied Microbiology Volume: 3 Issue: 3 Pages: 687-697
  • DOI: 10.3390/applmicrobiol3030047
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Polysulfide metabolizing enzymes influence SqrR-mediated sulfide-induced transcription by impacting intracellular polysulfide dynamics (2023)
  • Author(s): Shimizu Takayuki、Ida Tomoaki、Antelo Giuliano T、Ihara Yuta、Fakhoury Joseph N、Masuda Shinji、Giedroc David P、Akaike Takaaki、Capdevila Daiana A、Masuda Tatsuru
  • Journal Title: PNAS Nexus Volume: 2 Issue: 3 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad048
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thioredoxin-2 Regulates SqrR-Mediated Polysulfide-Responsive Transcription via Reduction of a Polysulfide Link in SqrR (2023)
  • Author(s): Shimizu Takayuki、Hashimoto Masaru、Masuda Tatsuru
  • Journal Title: Antioxidants Volume: 12 Issue: 3 Pages: 699-699
  • DOI: 10.3390/antiox12030699
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Sulfide-Responsive SqrR/BigR Homologous Regulator YgaV of Escherichia coli Controls Expression of Anaerobic Respiratory Genes and Antibiotic Tolerance (2022)
  • Author(s): Balasubramanian Rajalakshmi、Hori Koichi、Shimizu Takayuki、Kasamatsu Shingo、Okamura Kae、Tanaka Kan、Ihara Hideshi、Masuda Shinji
  • Journal Title: Antioxidants Volume: 11 Issue: 12 Pages: 2359-2359
  • DOI: 10.3390/antiox11122359
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Persulfide-Responsive Transcription Factor SqrR Regulates Gene Transfer and Biofilm Formation via the Metabolic Modulation of Cyclic di-GMP in Rhodobacter capsulatus (2022)
  • Author(s): Shimizu Takayuki、Aritoshi Toma、Beatty J. Thomas、Masuda Tatsuru
  • Journal Title: Microorganisms Volume: 10 Issue: 5 Pages: 908-908
  • DOI: 10.3390/microorganisms10050908
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Repressor Activity of SqrR, a Master Regulator of Persulfide-Responsive Genes, Is Regulated by Heme Coordination (2021)
  • Author(s): Shimizu T, Hayashi Y, Arai M, McGlynn SE, Masuda T, Masuda S
  • Journal Title: Plant Cell Physiol Volume: 62 Issue: 1 Pages: 100-110
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa144
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 大腸菌の硫化水素応答性転写因子YgaVは内在性硫化水素合成に依存して鉄の取り込みを制御する (2024)
  • Author(s): 野々山翔太、前野慎太郎、林哲也、増田真二
  • Organizer: 日本農芸化学会2024年度大会
• [Presentation] 硫化水素がシロイヌナズナの葉緑体形成における光合成器官の制御に与える影響 (2024)
  • Author(s): 清水隆之, オスマンズリナ, 増田建
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会
• [Presentation] 紅色光合成細菌をモデルとした 超硫黄分子シグナル制御システムの解析 (2024)
  • Author(s): 清水隆之
  • Organizer: 第3回原核光合成生物シンポジウム
• [Presentation] シロイヌナズナの葉緑体形成における硫化水素による光合成器官の制御 (2023)
  • Author(s): 清水隆之, オスマンズリナ, 増田建
  • Organizer: 第87回日本植物学会
• [Presentation] 紅色光合成細菌の硫化水素応答における超硫黄分子の代謝動態 (2023)
  • Author(s): 清水隆之, 井田智章, Giuliano T. Antelo, 井原雄太, 増田真二, David, P. Giedroc, 赤池孝章, Daiana A. Capdevila, 増田建
  • Organizer: 第13回日本光合成学会
• [Presentation] 硫黄化合物を介したタマネギ-Burkholderia属細菌間の相互作用のメカニズム (2023)
  • Author(s): 野々山翔太、増田真二
  • Organizer: 第６４回日本植物生理学会
• [Presentation] 硫化水素依存的光合成の転写制御に関わるポリスルフィド代謝の解析 (2023)
  • Author(s): 清水隆之、井田智章、Giuliano T. Antelo、井原雄太、増田真二、David P. Giedroc、赤池孝章、Daiana A. Capdevila、増田建
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会
• [Presentation] Enhancement of accumulation of photosynthetic pigments and proteins during chloroplast biogenesis by sulfide in Arabidopsis thaliana (2023)
  • Author(s): Zurina Osuman, Takayuki Shimizu, Tatsuru Masuda
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会
• [Presentation] Light mediates transcription start sites of heme oxygenase 1 for a cytoplasmic heme decomposition bypass in Arabidopsis (2023)
  • Author(s): Yingxi Chen, Kohji Nishimura, Yoshiharu Yamamoto, Yoshito Oka, Tomonao Matsushita, Takayuki Shimizu, Tatsuru Masuda
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会
• [Presentation] 植物の器官発生におけるシトクロムb5様ヘム結合タンパク質RLFの機能解析 (2023)
  • Author(s): 岩田健太郎、後藤千恵子、福村日向丸、清水隆之、丸山海成、古谷朋之、近藤侑貴、笠原博幸、増田建、石崎公庸、深城英弘
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会
• [Presentation] 地上部ヘムシグナルはpre-mRNAスプライシング制御を介して側根形態を制御する (2023)
  • Author(s): 高柳なつ、荒江星拓、高橋洋和、清水隆之、堀口吾朗、相田光宏、深城英弘、増田建、大谷美沙都
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会
• [Presentation] Mechanism of sulfide/supersulfide sensing in bacteria (2022)
  • Author(s): Shinji Masuda
  • Organizer: 第６０回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Development of ionization-coupled cleavage of oxidized polysulfide structure (iCOPS): a novel detection method for oxidized polysulfide modifications on proteins (2022)
  • Author(s): Kae Okamura, Takayuki Shimizu, Shingo Kasamatsu, Shinji Masuda, and Hideshi Ihara
  • Organizer: 4th International Conference on Persulfide and Sulfur Metabolism in Biology and Medicine
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] YgaV, a sulfide-responsive transcription factor SqrR/BigR homolog of Escherichia coli, controls expression of anaerobic respiratory genes and antibiotic tolerance (2022)
  • Author(s): Rajalakshmi Balasubramanian and Shinji Masuda
  • Organizer: 4th International Conference on Persulfide and Sulfur Metabolism in Biology and Medicine
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reactive sulfur species (RSS) metabolizing enzymes influence RSS sensing by impacting intracellular persulfide dynamics in bacteria (2022)
  • Author(s): Takayuki Shimizu
  • Organizer: 4th International Conference on Persulfide and Sulfur Metabolism in Biology and Medicine
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 紅色細菌をモデルとした超硫黄分子によるシグナル伝達機構の分子基盤 (2022)
  • Author(s): 清水隆之
  • Organizer: 第95回日本生化学会
  • Invited
• [Presentation] シロイヌナズナABCトランスポーターABCG23の機能解析 (2022)
  • Author(s): 増田建、宮地孝明、西村浩二、清水隆之
  • Organizer: 第86回日本植物学会
• [Presentation] Effect of Sulfide on phytochrome-dependent photomorphogenesis in Arabidopsis thaliana (2022)
  • Author(s): Zurina Osuman, Takayuki Shimizu, Tatsuru Masuda
  • Organizer: 第86回日本植物学会
• [Presentation] Phytochromes mediated transcription start sites of heme oxygenase 1 in Arabidopsis thaliana (2022)
  • Author(s): Yingxi Chen, Kohji Nishimura, Yoshiharu Yamamoto, Takayuki Shimizu, Tatsuru Masuda
  • Organizer: 第86回日本植物学会
• [Presentation] ヘムシグナルによる側根形成制御にはpre-mRNAスプライシング制御が介在する (2022)
  • Author(s): 高柳なつ、荒江星拓、高橋洋和、清水隆之、堀口吾朗、相田光宏、深城英弘、増田建、大谷美沙都
  • Organizer: 第86回日本植物学会
• [Presentation] 紅色光合成細菌における硫化水素応答性転写因子SqrRによるファージ様粒子GTAを介した遺伝子伝播の制御機構 (2022)
  • Author(s): 清水隆之、有年統真、J. Thomas Batty、増田建
  • Organizer: 第12回日本光合成学会
• [Presentation] 大腸菌の硫化水素応答性転写因子YgaVは嫌気呼吸関連遺伝子群の発現制御を介して抗生物質耐性を向上させる (2022)
  • Author(s): Rajalakshmi Balasubramanian and Shinji Masuda
  • Organizer: 第９５回日本細菌学会総会
  • Invited
• [Presentation] シロイヌナズナの葉緑体局在サルファトランスフェラーゼAtSTR14の機能解析 (2022)
  • Author(s): Suheng Chen and Shinji Masuda
  • Organizer: 第６３回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 紅色光合成細菌におけるファージ様粒子GTAを介した遺伝子水平伝播の酸化ストレス応答性制御機構 (2022)
  • Author(s): 有年統真、清水隆之、増田建
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] Light regulated transcription start sites of heme oxygenase 1 in Arabidopsis thaliana (2022)
  • Author(s): Yingxi Chen, Kohji Nishimura, Yoshiharu Yamamoto, Takayuki Shimizu, Tatsuru Masuda
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] 紅色細菌における硫化水素・活性イオウ分子種の応答機構 (2021)
  • Author(s): 清水隆之
  • Organizer: 第94回日本生化学会
• [Presentation] 硫化水素による生理活性調節シグナル伝達機構の解明 (2021)
  • Author(s): 清水隆之、増田真二、増田建
  • Organizer: 第85回日本植物学会
• [Presentation] プラスチドシグナル依存的な側根形成制御におけるpre-mRNAスプライシングの役割 (2021)
  • Author(s): 高柳なつ、荒江星拓、高橋洋和、清水隆之、堀口吾朗、相田光宏、深城英弘、増田建、大谷美沙都
  • Organizer: 第85回日本植物学会
• [Presentation] 硫化水素応答性転写因子SqrRによる酸化ストレスに応答した細菌性ファージ様粒子GTAの制御機構 (2021)
  • Author(s): 有年統真、清水隆之、増田建
  • Organizer: 第11回日本光合成学会
• [Remarks] 硫化水素が細菌の抗生物質耐性を高める仕組みを解明
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2022/065541
• [Remarks] 生物は硫化水素を有効利用して生きている
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2023/065803