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New paradigm for the regulation of chronic inflammation by glycosphingolipids

Research Project

Project/Area Number 20H03452
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 49010:Pathological biochemistry-related
Research InstitutionTohoku Medical and Pharmaceutical University

Principal Investigator

井ノ口 仁一  東北医科薬科大学, 薬学部, 特任教授 (70131810)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 新田 昂大  東北医科薬科大学, 薬学部, ポスト・ドクター (30847976)
狩野 裕考  東北医科薬科大学, 薬学部, 助教 (40774279)
稲森 啓一郎  東北医科薬科大学, 薬学部, 准教授 (70710375)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Keywordsスフィンゴ糖脂質 / ガングリオシドGM3 / グリボシドGb3 / TLR4 / 慢性炎症 / RAGE / パイロトーシス / LPS / HMGB1 / IL 1-alpha / グロボシドGb3
Outline of Research at the Start

GM3やGb3には、異なるセラミド構造を持つ多様な分子種が存在し、TLR4の内因性モジューレーターとして機能していることを見出している。極長鎖飽和GM3分子種は、LPS刺激によるマクロファージのTLR4受容体活性化を介した炎症性サイトカイン産生を著しく増大させた。一方、長鎖GM3分子種はTLR4受容体の活性化を抑制した。メタボリックシンドローム発症初期においては、抗炎症性長鎖GM3分子種が減少し、炎症性疾患の発症に関与している可能性がある。GM3やGb3分子種の発現変動パターンと、さまざまな疾患との関連性が明らかになれば、慢性炎症性疾患の新規診断・治療法の開発に貢献するものと期待される。

Outline of Annual Research Achievements

自然免疫受容体TLR4を介した慢性炎症は、メタボリックシンドロームの発症を決定づける強力な増悪因子である。どのようにして、恒常性維持機構としての自然免疫応答が、疾患発症原因としての慢性炎症反応へと変貌するのか、その分子メカニズムの解明と新たな診断法・治療法の開発が大きく期待されている。申請者らは新たに、肥満・糖尿病時に増加するスフィンゴ糖脂質:ガングリオシドGM3およびグロボ系糖脂質Gb3がTLR4の内因性モジュレーターとして慢性炎症を誘発すること、その生理活性が脂質部分のアシル鎖構造(鎖長、不飽和度、水酸化)の違いによって制御されることを見出した(EMBO J 2020)。本研究では「スフィンゴ糖脂質を新基軸としたTLR4活性化制御メカニズム」を解明し、①GM3/Gb3の産生メカニズム、②TLR4リガンドとして機能する分子基盤、③生体内で炎症を誘発するメカニズム、④疾患発症プロセスへの関与を、新たに提示する。令和2年度は、③生体内で炎症を誘発するメカニズムについて、特にGM3が生体内でLPSミミックとして働き、HMGB1を介したTLR4/RAGE(終末糖化産物受容体)/インフラマソーム活性化を制御する可能性について検討した。これまでの検討により、極長鎖GM3によってIL-1α産生が誘導・促進されることをマウス個体レベルで確認している)。LPSプライミング後の極長鎖GM3(C24)の投与によって、LPS投与時と同様に血清IL-1αの産生が増加する。さらに、LPSとGM3(C24)は相乗的に働き、血清IL-1αの産生を増強させる。一方、炎症抑制性の長鎖GM3(C16)は、LPSとGM3(C24)による相乗効果を抑制する。これらの結果は、内因性のGM3がHMGB1やLPSと協調的に作用し、TLR4/RAGEを介したパイロトーシス経路に関与する可能性を示している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

極長鎖GM3がHMGB1やLPSと協調的に作用し、TLR4/MD2を活性化することを我々は報告している(EMBO J 2020)。この発見に加え、極長鎖GM3はRAGEを介したパイロトーシス経路に関与する可能性を見出した。

Strategy for Future Research Activity

① GM3によるTLR4/RAGE/インフラマソームの活性制御メカニズムの解明
極長鎖GM3がHMGB1やLPSと協調的に作用し、TLR4/MD2を活性化することを我々は報告している(EMBO J 2020)。この発見に加え、極長鎖GM3はRAGEを介したパイロトーシス経路に関与する可能性を見出した。そこで、TLR4-KO、RAGE-KO、Casp11-KOマウス等に対して同様にLPSと各GM3分子種の投与実験を行い、GM3によるパイロトーシス誘導メカニズムを明らかにする。ヒト単球およびマウスマクロファージの炎症応答は、極長鎖GM3の存在下で大幅に増強される。そこで、GM3存在下でHMGB1によるTLR4/RAGE/インフラマソームの活性化を解析する。TLR4の細胞内動態とシグナル制御について、内在化、NF-κB活性化、IL-1α/βの細胞内産生を検出する。RAGEについては、内在化、リソソーム局在、LPSの細胞内取り込みを検出する。パイロトーシスについては、Gasdermin Dによる細胞膜ポアを経由したIL-1α/β、HMGB1、LDHの放出をELISAによって検出する。インフラマソーム活性化については、その指標となるCaspase 1/11を介したIL1βやGasdermin Dのプロセッシングをウェスタンブロット法で検出する。加えて、LPSと同様に、新たにGM3がHMGB1と直接相互作用する可能性について検討する。安定同位体標識GM3のHMGB1との結合や、RAGEを介した細胞内取り込みを、質量分析法による高感度検出によって解析する。さらに、GM3とCaspase 11の直接相互作用についても検討する。これらにより、内因性リガンド間の相互作用を介して慢性炎症が惹起されるメカニズムを明らかにする。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(9 results)

All 2020

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Homeostatic and pathogenic roles of GM3 ganglioside molecular species in TLR4 signaling in obesity2020

    • Author(s)
      Kanoh Hirotaka、Nitta Takahiro、Go Shinji、Inamori Kei‐ichiro、Veillon Lucas、Nihei Wataru、Fujii Mayu、Kabayama Kazuya、Shimoyama Atsushi、Fukase Koichi、Zonca Asia、Cattaneo Anna、Letizia Marilena、Ciampa Maria、Mauri Laura、Prinetti Alessandro、Sonnino Sandro、Suzuki Akemi、Inokuchi Jin‐ichi et. al.
    • Journal Title

      The EMBO Journal

      Volume: - Pages: 1-20

    • DOI

      10.15252/embj.2019101732

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Roles of Gangliosides in Hypothalamic Control of Energy Balance: New Insights2020

    • Author(s)
      Inamori Kei-ichiro, Inokuchi Jin-ichi
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 21 Pages: 5349-5349

    • DOI

      10.3390/ijms21155349

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The Ceramide Analogue N-(1-hydroxy-3-morpholino-1-phenylpropan-2-yl)decanamide Induces Large Lipid Droplet Accumulation and Highlights the Effect of LAMP-2 Deficiency on Lipid Droplet Degradation2020

    • Author(s)
      Yuji Kato, Satoko Arakawa, Kazue Terasawa, Jin-Ichi Inokuchi, Takanori Iwata, Shigeomi Shimizu, Tetsuro Watabe, Miki Hara-Yokoyama
    • Journal Title

      Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters

      Volume: 30 Pages: 126891-126891

    • DOI

      10.1016/j.bmcl.2019.126891

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Glycolipidomics2020

    • Author(s)
      井ノ口 仁一、稲森 啓一郎、上村 聡志、狩野 裕考、新田 昂大、二瓶 渉、宍戸 史、大野 勲、鈴木 明身
    • Journal Title

      生化学

      Volume: 92 Issue: 3 Pages: 323-335

    • DOI

      10.14952/SEIKAGAKU.2020.920323

    • ISSN
      0037-1017
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Homeostatic and pathogenic roles of GM3 ganglioside molecular species in TLR4 signaling2020

    • Author(s)
      Jin-ichi Inokuchi
    • Organizer
      GLYCOT 2020 WEB conference
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Homeostatic and pathogenic roles of GM3 ganglioside2020

    • Author(s)
      Jin-ichi Inokuchi
    • Organizer
      Sphingolipid Biology WEB conference
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 潰瘍性大腸炎患者におけるスフィンゴ糖脂質の発現変化2020

    • Author(s)
      稲森啓一郎,小川仁,新田昴大,狩野裕考,遠藤克哉,佐藤賢一,中村保宏,柴田近,中川西修,丹野孝一,鈴木明身,井ノ口仁一
    • Organizer
      第39回日本糖質学会年会 WEB開催
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 潰瘍性大腸炎患者におけるスフィンゴ糖脂質の発現変化2020

    • Author(s)
      稲森啓一郎,小川仁,新田昴大,狩野裕考,遠藤克哉,佐藤賢一,中村保宏,柴田近,中川西修,丹野孝一,鈴木明身,井ノ口仁一
    • Organizer
      第93回日本生化学会大会 WEB開催
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] レプチンによる腎スフィンゴ糖脂質の発現誘導2020

    • Author(s)
      新田昂大, 狩野裕考, 稲森啓一郎, 鈴木明身, 井ノ口仁一
    • Organizer
      第14回東北東鎖研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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