病原細菌における新規活性イオウ分子産生系の発見と病原性発現機構の解明

• 研究課題/領域番号: 18K07099
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分49050:細菌学関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 藤井 重元 東北大学, 医学系研究科, 大学院非常勤講師 (00325333)
• 研究分担者: 井田 智章 東北大学, 医学系研究科, 助教 (70570406) ; 高田 剛 東北大学, 医学系研究科, 学術研究員 (20733257)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2019年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2019年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2018年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 活性イオウ分子 / 硫化水素 / 細菌感染 / オートファジー / 感染防御 / 細菌 / 活性イオウ分子種 / システインパースルフィド / タンパク質ポリサルファー化

研究実績の概要

本研究では、細菌の活性イオウ代謝系に焦点をあて、活性イオウ分子種のオートファジー抑制作用ならびに細胞内殺菌回避を介する病原性発現機構を明らかにした。具体的には、細菌が産生する活性イオウ産生機構と活性イオウ分子によるオートファジー制御を解析した。我々が作製したネズミチフス菌の主要な硫化水素産生酵素であるチオ硫酸還元酵素および亜硫酸還元酵素の欠損株の活性イオウ分子の産生レベルを解析した結果、野生型と比べて各欠損株において、システインパースルフィド、グルタチオンパースルフィドをはじめとする各種活性イオウ分子産生量の有意な減少を認めた。さらにマウスマクロファージ細胞にネズミチフス菌の野生型および活性パースルフィド生成変異株を感染させ、オートファジー誘導と細胞内増殖を解析した結果、細菌由来の活性イオウ分子がオートファジーを抑制することが分かった。これらの結果から、ネズミチフス菌が産生する活性イオウ分子は、オートファジー誘導制御に重要な役割を果たしていることが示された。また、研究を進める中で得られた新知見として、グルタチオンポリスルフィドなどの酸化型イオウ分子が、マクロファージなどの食細胞が発現する誘導型一酸化窒素合成酵素（inducible isoform of nitric oxide synthase, iNOS）によりNADPH依存的な還元酸化反応により活性化され還元型活性パースルフィドが産生されることが分かってきた。また、iNOSの本来の代謝産物であるNOが、この活性パースルフィドと反応し、ニトロソパースルフィドなど、さらに化学的反応性の高まった活性代謝物が産生されことが明らかとなった。このことは、サルモネラなどの細胞内寄生において、菌体側から産生されるイオウ代謝物を、宿主のiNOS などが再活性化することで、病原菌の毒性制御と宿主の感染防御に寄与していることを示唆している。

研究成果

• [国際共同研究] National Institute of Oncology(ハンガリー)
• [国際共同研究] Karolinska Institutet(スウェーデン)
• [国際共同研究] Sonoma State University/Massachusetts General Hospital/Washington State University(米国)
• [国際共同研究] Southampton General Hospital/University of Birmingham/The Rayne Institute(英国)
• [雑誌論文] Control of Protein Function Through Oxidation and Reduction of Persulfidated States (2020)
  • 著者名/発表者名: E Doka, T Ida, M Dagnell, Y Abiko, N C Luong, N Balog, T Takata, B Espinosa, A Nishimura, Q Cheng, Y Funato, H Miki, J M Fukuto, J R Prigge, E E Schmidt, E S J Arner, Y Kumagai, T Akaike, P Nagy
  • 雑誌名: Sci Adv 巻: 6 号: 1 ページ: 8358-8358
  • DOI: 10.1126/sciadv.aax8358
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The active-site cysteine residue of Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase I is protected from irreversible modification via generation of polysulfidation (2019)
  • 著者名/発表者名: Takata Tsuyoshi、Tsukuda Ayaka、Tsuchiya Yukihiro、Akaike Takaaki、Watanabe Yasuo
  • 雑誌名: Nitric Oxide 巻: 86 ページ: 68-75
  • DOI: 10.1016/j.niox.2019.02.008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Environmental Electrophile-Mediated Toxicity in Mice Lacking Nrf2, CSE, or Both (2019)
  • 著者名/発表者名: Akiyama Masahiro、Unoki Takamitsu、Shinkai Yasuhiro、Ishii Isao、Ida Tomoaki、Akaike Takaaki、Yamamoto Masayuki、Kumagai Yoshito
  • 雑誌名: Environmental Health Perspectives 巻: 127 号: 6 ページ: 067002-067002
  • DOI: 10.1289/ehp4949
  • NAID: 120007133174
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Oxidation of PKGIα mediates an endogenous adaptation to pulmonary hypertension (2019)
  • 著者名/発表者名: Rudyk Olena、Rowan Alice、Prysyazhna Oleksandra、Krasemann Susanne、Hartmann Kristin、Zhang Min、Shah Ajay M.、Ruppert Clemens、Weiss Astrid、Schermuly Ralph T.、Ida Tomoaki、Akaike Takaaki、Zhao Lan、Eaton Philip
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 116 号: 26 ページ: 13016-13025
  • DOI: 10.1073/pnas.1904064116
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Data‐Driven Identification of Hydrogen Sulfide Scavengers (2019)
  • 著者名/発表者名: Yang Chun‐tao、Wang Yingying、Marutani Eizo、Ida Tomoaki、Ni Xiang、Xu Shi、Chen Wei、Zhang Hui、Akaike Takaaki、Ichinose Fumito、Xian Ming
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 58 号: 32 ページ: 10898-10902
  • DOI: 10.1002/anie.201905580
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mitochondrial cysteinyl-tRNA synthetase is expressed via alternative transcriptional initiation regulated by energy metabolism in yeast cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Akira、Nasuno Ryo、Yoshikawa Yuki、Jung Minkyung、Ida Tomoaki、Matsunaga Tetsuro、Morita Masanobu、Takagi Hiroshi、Motohashi Hozumi、Akaike Takaaki
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 294 号: 37 ページ: 13781-13788
  • DOI: 10.1074/jbc.ra119.009203
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Long-lasting blood pressure lowering effects of nitrite are NO-independent and mediated by hydrogen peroxide, persulfides, and oxidation of protein kinase G1α redox signalling (2019)
  • 著者名/発表者名: Feelisch Martin、Akaike Takaaki、Griffiths Kayleigh、Ida Tomoaki、Prysyazhna Oleksandra、Goodwin Joanna J、Gollop Nicholas D、Fernandez Bernadette O、Minnion Magdalena、Cortese-Krott Miriam M、Borgognone Alessandra、Hayes Rosie M、Eaton Philip、Frenneaux Michael P、Madhani Melanie
  • 雑誌名: Cardiovascular Research 巻: 116 号: 1 ページ: 51-62
  • DOI: 10.1093/cvr/cvz202
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Uptake and Release of Polysulfur Cysteine Species by Cells: Physiological and Toxicological Implications. (2019)
  • 著者名/発表者名: Lin J, Akiyama M, Bica I, Long FT, Henderson CF, Goddu RN, Suarez V, Baker B, Ida T, Shinkai Y, Nagy P, Akaike T, Fukuto JM, Kumagai Y.
  • 雑誌名: Chem Res Toxicol 巻: 32 号: 3 ページ: 447-455
  • DOI: 10.1021/acs.chemrestox.8b00340
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Polysulfide stabilization by tyrosine and hydroxyphenyl-containing derivatives that is important for a reactive sulfur metabolomics analysis. (2019)
  • 著者名/発表者名: Hamid HA, Tanaka A, Ida T, Nishimura A, Matsunaga T, Fujii S, Morita M, Sawa T, Fukuto JM, Nagy P, Tsutsumi R, Motohashi H, Ihara H, Akaike T.
  • 雑誌名: Redox Biol 巻: 21 ページ: 101096-101096
  • DOI: 10.1016/j.redox.2019.101096
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Production of 8-nitro-cGMP in osteocytic cells and its upregulation by parathyroid hormone and prostaglandin E2. (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagayama K, Miyamoto Y, Kaneko K, Yoshimura K, Sasa K, Akaike T, Fujii S, Izumida E, Uyama R, Chikazu D, Maki K, Kamijo R.
  • 雑誌名: In Vitro Cell Dev Biol Anim 巻: 55 号: 1 ページ: 45-51
  • DOI: 10.1007/s11626-018-0304-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Persulfide synthases that are functionally coupled with translation mediate sulfur respiration in mammalian cells. (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujii S, Sawa T, Motohashi H, Akaike T.
  • 雑誌名: Br J Pharmacol 巻: 176 号: 4 ページ: 607-615
  • DOI: 10.1111/bph.14356
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Speciation of reactive sulfur species and their reactions with alkylating agents: do we have any clue about what is present inside the cell? (2018)
  • 著者名/発表者名: Bogdandi Virag、Ida Tomoaki、Sutton Thomas R、Bianco Christopher、Ditroi Tamas、Koster Grielof、Henthorn Hillary A、Minnion Magda、Toscano John P、van der Vliet Albert、Pluth Michael D、Feelisch Martin、Fukuto Jon M、Akaike Takaaki、Nagy Peter
  • 雑誌名: British Journal of Pharmacology 巻: 176 号: 4 ページ: 646-670
  • DOI: 10.1111/bph.14394
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The reaction of hydrogen sulfide with disulfides: formation of a stable trisulfide and implications for biological systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Bianco Christopher L、Akaike Takaaki、Ida Tomoaki、Nagy Peter、Bogdandi Virag、Toscano John P、Kumagai Yoshito、Henderson Catherine F、Goddu Robert N、Lin Joseph、Fukuto Jon M
  • 雑誌名: British Journal of Pharmacology 巻: 176 号: 4 ページ: 671-683
  • DOI: 10.1111/bph.14372
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Important role of endothelial caveolin-1 in the protective role of endothelium-dependent hyperpolarization against nitric oxide-mediated nitrative stress in microcirculation in mice (2018)
  • 著者名/発表者名: Saito H, Godo S, Sato S, Ito A, Ikumi Y, Tanaka S, Ida T, Fujii S, Akaike T, Shimokawa H.
  • 雑誌名: Journal of Cardiovascular Pharmacology 巻: 71 号: 2 ページ: 113-126
  • DOI: 10.1097/fjc.0000000000000552
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reactive Persulfides from Salmonella Typhimurium Downregulate Autophagy-Mediated Innate Immunity in Macrophages by Inhibiting Electrophilic Signaling (2018)
  • 著者名/発表者名: Khan Shahzada、Fujii Shigemoto、Matsunaga Tetsuro、Nishimura Akira、Ono Katsuhiko、Ida Tomoaki、Ahmed Khandaker Ahtesham、Okamoto Tatsuya、Tsutsuki Hiroyasu、Sawa Tomohiro、Akaike Takaaki
  • 雑誌名: Cell Chemical Biology 巻: 25 号: 11 ページ: 1403-1413
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2018.08.007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Biological hydropersulfides and related polysulfides - a new concept and perspective in redox biology (2018)
  • 著者名/発表者名: Fukuto Jon M.、Ignarro Louis J.、Nagy Peter、Wink David A.、Kevil Christopher G.、Feelisch Martin、Cortese-Krott Miriam M.、Bianco Christopher L.、Kumagai Yoshito、Hobbs Adrian J.、Lin Joseph、Ida Tomoaki、Akaike Takaaki
  • 雑誌名: FEBS Letters 巻: 592 号: 12 ページ: 2140-2152
  • DOI: 10.1002/1873-3468.13090
  • NAID: 120007133961
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cysteine perthiosulfenic acid (Cys-SSOH): A novel intermediate in thiol-based redox signaling? (2018)
  • 著者名/発表者名: Heppner DE, Hristova M, Ida T, Mijuskovic A, Dustin CM, Bogdandi V, Fukuto JM, Dick TP, Nagy P, Li J, Akaike T, van der Vliet A.
  • 雑誌名: Redox Biol. 巻: 14 ページ: 379-385
  • DOI: 10.1016/j.redox.2017.10.006
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] NADPH oxidaseによる新規活性硫黄代謝リモデリングと細菌感染防御機構 (2020)
  • 著者名/発表者名: 井田智章、松永哲郎、守田匡伸、高田 剛、住本英樹、赤池孝章
  • 学会等名: 第93回日本細菌学会総会
• [学会発表] 活性硫黄メタボロームの新展開 (2020)
  • 著者名/発表者名: 井田智章、居原 秀、赤池孝章
  • 学会等名: 第19回分子予防環境医学研究会大会
  • 招待講演
• [学会発表] NADPH酸化還元酵素による新規活性硫黄代謝機構の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 髙田剛、井田智章、松永哲郎、守田匡伸、土屋幸弘、渡邊泰男、住本英樹、赤池孝章
  • 学会等名: 第19回分子予防環境医学研究会大会
• [学会発表] Translation-coupled protein polysulfidation, discovery of a novel cysteine persulfide synthase (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Ida, Masanobu Morita, Akira Nishimura, Tetsuro Matsunaga, Hideshi Ihara, Tomohiro Sawa, Hozumi Motohashi, Takaaki. Akaike
  • 学会等名: The 9th Biennial Meeting of SFRR Asia (SFRR-Asia 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 活性イオウ安定化と高精度イオウ代謝解析法の確立 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井田智章、松永哲郎、西村 明、守田匡伸、居原 秀、澤 智裕、本橋ほづみ、赤池孝章
  • 学会等名: 第92回日本生化学会大会
• [学会発表] カルモデュリンキナーゼ群の活性イオウ分子応答性の差異 (2019)
  • 著者名/発表者名: 髙田剛、土屋幸弘、赤池孝章、渡邊泰男
  • 学会等名: 第92回日本生化学会大会
• [学会発表] カルモデュリンキナーゼIのポリスルフィド化とその意義 (2019)
  • 著者名/発表者名: 髙田剛、佃彩華、土屋幸弘、赤池孝章、渡邊泰男
  • 学会等名: 第19回日本NO学会学術集会
• [学会発表] チロシン・ヒドロキシフェニル基によるポリスルフィドの安定化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井田 智章，松永 哲郎，西村 明，守田 匡伸，居原 秀，澤 智裕，本橋ほづみ，赤池 孝章
  • 学会等名: 第18回 分子予防環境医学研究会大会（名古屋）
• [学会発表] Translation-coupled protein polysulfidation, a unique biosynthesis pathway of cysteine persulfide (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Ida, Akira Nishimura, Masanobu Morita, Hideshi Ihara, Tomohiro Sawa, Shigemoto Fujii, Hozumi Motohashi, Takaaki Akaike
  • 学会等名: 10th International Conference on the Biology, Chemistry and Therapeutic Applications of Nitric Oxide
  • 国際学会
• [学会発表] システイニルtRNA合成酵素のパースルフィド合成制御機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井田 智章, 西村 明, 守田 匡伸, 松永 哲郎, 澤 智裕, 居原 秀, 藤井 重元, 本橋 ほづみ, 赤池 孝章
  • 学会等名: 第91回 日本生化学会大会（京都）
• [学会発表] システイニルtRNA合成酵素によるパースルフィド合成制御機構の解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井田 智章，西村 明，守田 匡伸，松永 哲郎，澤 智裕， 居原 秀，藤井 重元，本橋ほづみ，赤池 孝章
  • 学会等名: 第71回 日本酸化ストレス学会・日本NO学会合同学術集会（京都）
• [学会発表] ニトロソグルタチオン代謝酵素アルコールデヒドロゲナーゼ5のタンパク質ポリスルフィド化による制御機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤井 重元，笠松真吾，Md. Morshedul Alam，井田 智章，守田 匡伸， 居原 秀，西村 明，松永 哲郎，本橋ほづみ，赤池 孝章
  • 学会等名: 第71回日本酸化ストレス学会・日本NO学会合同学術集会（京都）
• [学会発表] 種横断的システインパースルフィド合成酵素の発見とその生体防御機能の解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井田 智章，守田 匡伸，松永 哲郎，西村 明，居原 秀，澤 智裕， 藤井 重元 ，本橋ほづみ，赤池 孝章
  • 学会等名: 第72回 日本細菌学会東北支部総会（仙台）
• [学会発表] 種横断的新しいシステインパースルフィド合成酵素の発見 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井田 智章，守田 匡伸，松永 哲郎，西村 明，居原 秀，澤 智裕， 藤井 重元 ，本橋ほづみ，赤池 孝章
  • 学会等名: 第29回 日本生体防御学会学術集会（京都）
• [学会発表] 親電子解毒代謝系システインパースルフィドの新しい合成酵素の発見 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井田 智章，守田 匡伸，西村 明，松永 哲郎，居原 秀，澤 智裕， 藤井 重元，熊谷 嘉人，本橋ほづみ，赤池 孝章
  • 学会等名: 第45回 日本毒性学会学術年会
• [学会発表] システイニルtRNA合成酵素によるパースルフィド合成制御機構の解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井田智章，西村 明，守田匡伸，松永哲郎，澤 智裕， 居原 秀，藤井重元，本橋ほづみ，赤池孝章
  • 学会等名: 平成30年度 生理学研究所研究会（岡崎）
• [図書] 硫黄呼吸は幹細胞のエネルギー代謝を担っているか？ (2019)
  • 著者名/発表者名: 高田剛、松永哲郎、赤池孝章
  • 総ページ数: 120
  • 出版者: 再生医療
  • ISBN: 9784779223358
• [図書] ポリスルフィド化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、井田智章、赤池孝章
  • 総ページ数: 2
  • 出版者: 生体の科学
• [図書] SH（ポリスルフィド）の酸化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、井田智章、赤池孝章
  • 総ページ数: 2
  • 出版者: 生体の科学
• [備考] 東北大学大学院医学系研究科環境医学分野ホームページ
  • URL: http://www.toxicosci.med.tohoku.ac.jp/index.html
• [備考] 東北大学大学院医学系研究科環境医学分野ホームページ
  • URL: http://www.toxicosci.med.tohoku.ac.jp/