ポリサルファ代謝系を介する新しい抗酸化ストレス制御機構の解明

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: 酸素を基軸とする生命の新たな統合的理解
• 研究課題/領域番号: 26111008
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 赤池 孝章 東北大学, 医学系研究科, 教授 (20231798)
• 研究分担者: 上原 孝 岡山大学, 医歯薬学総合研究科, 教授 (00261321) [辞退] ; 渡辺 泰男 昭和薬科大学, 薬学部, 教授 (10273228) ; 澤 智裕 熊本大学, 大学院生命科学研究部(医), 教授 (30284756) ; 朽津 和幸 東京理科大学, 理工学部応用生物科学科, 教授 (50211884)
• 研究期間 (年度): 2014-07-10 – 2019-03-31
• キーワード: 活性酸素 / 代謝 / ケミカルバイオロジー / メタボローム / 抗酸化

研究実績の概要

本研究では、システインのイオウ付加体であるシステインパースルフィドをはじめとする活性ポリスルフィドの生理機能に注目し、メタボローム解析手法（ポリサルファメタボローム）を駆使して、動物および植物における活性イオウ・ポリサルファ系のユニークな抗酸化制御システムの全貌を解明することを目的としている。昨年度までの研究において、高感度タンデム質量分析計（LC-MS/MS）による各種ポリスルフィドの検出・同定システムを開発するとともに、システイン-tRNA合成酵素による翻訳に共役した新規ポリスルフィド生成系を見いだした。本年度は、システイン-tRNA合成酵素の細胞内ポリスルフィド生成およびタンパク質ポリサルファ化に与える影響について解析を行った。哺乳類細胞のシステイン-tRNA合成酵素（CARS2）のノックアウト細胞の作製に成功し、LC-MS/MSを用いたポリサルファメタボロームによる解析を行った結果、野生型細胞に比べCARS2ノックアウト細胞では、細胞内システインポリスルフィドレベルが著明に減少し、CARS2が主要な細胞内ポリスルフィド産生系として機能していることが示された。また、親電子物質とポリスルフィドとの化学反応性を利用した親電子プローブ標識ゲルシフトアッセイを用いてこれらの細胞のタンパク質ポリスルフィド化を解析した結果、CARS2ノックアウト細胞では野生型細胞に比べ、各種タンパク質のポリサルファ化が著明に減弱し、CARS2がタンパク質ポリサルファ化に重要な役割を果たしていることが示唆された。また、CARS2ノックアウト細胞と野生型細胞の比較解析から、CARS2によるシステインポリスルフィド産生がミトコンドリア機能に関わることが示唆され、今後このようなポリスルフィドの生理機能の解析を進めていく予定である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度は当初計画どおりCARS2ノックアウト細胞の作成とその細胞内ポリスルフィド動態の解析、およびタンパク質ポリサルファ化解析系の構築と各種生体試料中のポリサルファ化タンパク質の解析を行い、目的とする研究成果を得ることができた。研究はおおむね順調に進展していると評価できる。

今後の研究の推進方策

本研究の当初目的に照らして、研究遂行の上での問題はなく順調に研究が進展している。今後は、新しく発見したシステイン-tRNA合成酵素によるポリスルフィド生成系の役割の解明を中心として、当初計画どおり、動物および植物における活性イオウ・ポリサルファ系のユニークな抗酸化制御システムの全貌解明に向けた研究を推進していく。

研究成果

• [国際共同研究] Sonoma State University/Johons Hopkins University/University of Alabama at Birmingham(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Sonoma State University/Johons Hopkins University/University of Alabama at Birmingham
• [雑誌論文] Redox regulation of electrophilic signaling by reactive persulfides in cardiac cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Nishida M, Nishimura A, Matsunaga T, Motohashi H, Kasamatsu S, Akaike T.
  • 雑誌名: Free Radic Biol Med 巻: 109 ページ: 132～140
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2017.01.024
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reactive sulfur species regulate tRNA methylthiolation and contribute to insulin secretion (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahashi N, Wei FY, Watanabe S, Hirayama M, Ohuchi Y, Fujimura A, Kaitsuka T, Ishii I, Sawa T, Nakayama H, Akaike T, Tomizawa K.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res 巻: 45 ページ: 435-445
  • DOI: 10.1093/nar/gkw745.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Metabolomic profiling of reactive persulfides and polysulfides in the aqueous and vitreous humors. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kunikata H, Ida T, Sato K, Aizawa N, Sawa T, Tawarayama H, Murayama N, Fujii S, Akaike T, Nakazawa T.
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 7 ページ: 41984
  • DOI: 10.1038/srep41984.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Synthesis of L-cysteine derivatives containing stable sulfur isotopes and application of this synthesis to reactive sulfur metabolome (2017)
  • 著者名/発表者名: Ono K, Jung M, Zhang T, Tsutsuki H, Sezaki H, Ihara H, Wei FY, Tomizawa K, Akaike T, Sawa T.
  • 雑誌名: Free Radic Biol Med 巻: 106 ページ: 69-79
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2017.02.023.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 1,4-Naphthoquinone activates the HSP90/HSF1 pathway through the S-arylation of HSP90 in A431 cells: Negative regulation of the redox signal transduction pathway by persulfides/polysulfides (2017)
  • 著者名/発表者名: Abiko Y, Sha L, Shinkai Y, Unoki T, Luong NC, Tsuchiya Y, Watanabe Y, Hirose R, Akaike T, Kumagai Y.
  • 雑誌名: Free Radic Biol Med 巻: 104 ページ: 118-128
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2016.12.047.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Synthesis and characterization of 8-nitroguanosine 3',5'-cyclic monophosphorothioate Rp-isomer as a potent inhibitor of protein kinase G1α (2017)
  • 著者名/発表者名: Ahmed KA, Zhang T, Ono K, Tsutsuki H, Ida T, Akashi S, Miyata K, Oike Y, Akaike T, Sawa T.
  • 雑誌名: Biol Pharm Bull 巻: 40 ページ: 365-374
  • DOI: 10.1248/bpb.b16-00880.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Superoxide generation from nNOS splice variants and its potential involvement in redox signal regulation (2017)
  • 著者名/発表者名: Ihara H, Kitamura A, Kasamatsu S, Ida T, Kakihana Y, Tsutsuki H, Sawa T, Watanabe Y, Akaike T.
  • 雑誌名: Biochem J 巻: 474 ページ: 1149-1162
  • DOI: 10.1042/BCJ20160999.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Discovery and mechanistic characterization of selective inhibitors of H2S-producing enzyme: 3-mercaptopyruvate sulfurtransferase (3MST) targeting active-site cysteine persulfide (2017)
  • 著者名/発表者名: Hanaoka K, Sasakura K, Suwanai Y, Toma-Fukai S, Shimamoto K, Takano Y, Shibuya N, Terai T, Komatsu T, Ueno T, Ogasawara Y, Tsuchiya Y, Watanabe Y, Kimura H, Wang C, Uchiyama M, Kojima H, Okabe T, Urano Y, Shimizu T, Nagano T.
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 7 ページ: 40227
  • DOI: 10.1038/srep40227
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Silver nanoparticles as potential antibiofilm agents against human pathogenic bacteria (2017)
  • 著者名/発表者名: Kyaw K, Harada A, Ichimaru H, Kawagoe T, Yahiro K, Morimura S, Ono K, Tsutsuki H, Sawa T, Niidome T.
  • 雑誌名: Chem Lett 巻: 46 ページ: 594-596
  • DOI: 10.1246/cl.161198
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Harnessing host ROS-generating machinery for the robust genome replication of a plant RNA virus (2017)
  • 著者名/発表者名: Hyodo K, Hashimoto K, Kuchitsu K, Suzuki N, Okuno T.
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci USA 巻: 114 ページ: E1282-E1290
  • DOI: 10.1073/pnas.1610212114
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 大隅良典先生: オートファジ一（細胞内自食作用）のメカニズム (2017)
  • 著者名/発表者名: 朽津 和幸
  • 雑誌名: 科学フォーラム 巻: 394 ページ: 44-45
• [雑誌論文] Redox signaling regulated by an electrophilic cyclic nucleotide and reactive cysteine persulfides (2016)
  • 著者名/発表者名: Fujii S, Sawa T, Nishida M, Ihara H, Ida T, Motohashi H, Akaike T.
  • 雑誌名: Arch Biochem Biophys 巻: 595 ページ: 140-146
  • DOI: 10.106/j.abb.2015.11.008.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Proposal of Helicobacter canicola sp. nov., previously identified as Helicobacter cinaedi, isolated from canines (2016)
  • 著者名/発表者名: Kawamura Y, Tomida J, Miyoshi-Akiyama T, Okamoto T, Narita M, Hashimoto K, Cnockaert M, Vandamme P, Morita Y, Sawa T, Akaike T.
  • 雑誌名: Syst Appl Microbiol 巻: 39 ページ: 307-312
  • DOI: 10.1016/j.syapm.2016.06.004.
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The chemical biology of protein hydropersulfides: Studies of a possible protective function of biological hydropersulfide generation (2016)
  • 著者名/発表者名: Millikin R, Bianco CL, White C, Saund SS, Henriquez S, Sosa V, Akaike T, Kumagai Y, Soeda S, Toscano JP, Lin J, Fukuto JM.
  • 雑誌名: Free Radic Biol Med 巻: 97 ページ: 136-147
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2016.05.013.
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Mice deficient in Angiopoietin-like protein 2 (Angptl2) gene show increased susceptibility to bacterial infection due to attenuated macrophage activity (2016)
  • 著者名/発表者名: Yugami M, Odagiri H, Endo M, Tsutsuki H, Fujii S, Kadomatsu T, Masuda T, Miyata K, Terada K, Tanoue H, Ito H, Morinaga J, Horiguchi H, Sugizaki T, Akaike T, Gotoh T, Takai T, Sawa T, Mizuta H, Oike Y.
  • 雑誌名: J Biol Chem 巻: 291 ページ: 18843-18852
  • DOI: 10.1074/jbc.M116.720870.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Endogenous occurrence of protein S-guanylation in Echerichia coli: Target identification and genetic regulation (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsutsuki H, Jung M, Zhang T, Ono K, Ida T, Kunieda K, Ihara H, Akaike T, Sawa T.
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun 巻: 478 ページ: 7-11
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2016.07110.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Modification of tau by 8-nitro-cGMP: effects of nitric oxide-linked chemical modification on tau aggregation (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshitake J, Soeda Y, Ida T, Sumioka A, Yoshikawa M, Matsushita K, Akaike T, Takashima A.
  • 雑誌名: J Biol Chem 巻: 291 ページ: 22714-22720
  • DOI: 10.1074/jbc.M116.734350.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Protein polysulfidation-dependent persulfide dioxygenase activity of ethylmalonic encephalopathy protein 1 (2016)
  • 著者名/発表者名: Jung M, Kasamatsu S, Matsunaga T, Akashi S, Ono K, Nishimura A, Morita M, Abdul Hamid H, Fujii S, Kitamura H, Sawa T, Ida T, Motohashi H, Akaike T.
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun 巻: 480 ページ: 180-186
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2016.10.022.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Redox signaling regulated by cysteine persulfide and protein polysulfidation (2016)
  • 著者名/発表者名: Kasamatsu S, Nishimura A, Morita M, Matsunaga T, Abdul Hamid H, Akaike T.
  • 雑誌名: Molecules 巻: 21 ページ: E1721
  • DOI: 10.3390/molecules21121721
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 活性イオウ含有分子の再発見とその生物活性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 井田智章、松永哲郎、藤井重元、澤 智裕、赤池孝章.
  • 雑誌名: 日本薬理学雑誌 巻: 147 ページ: 278-284
  • DOI: 10.1254/fpj.147.278.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 活性イオウ分子種によるタンパク質チオール修飾：ポリスルフィド化タンパク質解析の最先端技法 (2016)
  • 著者名/発表者名: 笠松真吾、藤井重元、赤池孝章.
  • 雑誌名: 日本薬理学雑誌 巻: 147 ページ: 299-302
  • DOI: 10.1254/fpj.147.299.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 巻頭言 セレンディピティと抗菌薬の新しい分指標的 (2016)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 雑誌名: 化学療法の領域 巻: 32 ページ: 1621
• [雑誌論文] 酸化ストレス病態とバイオマーカー (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井重元、赤池孝章.
  • 雑誌名: 生体の科学 巻: 67 ページ: 418-419
  • 査読あり
• [雑誌論文] Activation of signal transducer and activator of transcription 3 in endothelial cells of chronic subdural hematoma outer membranes (2016)
  • 著者名/発表者名: Osuka K, Watanabe Y, Usuda N, Aoyama M, Kawaguchi R, Watabe T, Takayasu M.
  • 雑誌名: World Neurosurg 巻: 91 ページ: 376-382
  • DOI: 10.1016/j.wneu.2016.04.025
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Mitogen-activated protein kinase 4-like carrying an MEY motif instead of a TXY motif is involved in ozone tolerance and regulation of stomatal closure (2016)
  • 著者名/発表者名: Yanagawa Y, Yoda H, Osaki K, Amano Y, Aono M, Seo S, Kuchitsu K, Mitsuhara I.
  • 雑誌名: J Exp Bot 巻: 67 ページ: 3471-3479
  • DOI: 10.1093/jxb/erw173
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Stomatal closure induced by phytosphingosine-1-phosphate and sphingosine-1-phosphate depends on nitric oxide and pH of guard cells in Pisum sativum (2016)
  • 著者名/発表者名: Puli MR, Rajsheel P, Aswani V, Agurla S, Kuchitsu K, Raghavendra AS.
  • 雑誌名: Planta 巻: 244 ページ: 831-841
  • DOI: 10.1007/s00425-016-2545-z
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Freezing behaviours in wintering Cornus florida flower bud tissues revisited using MRI (2016)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa M, Ide H, Yamazaki H, Murakawa H, Kuchitsu K, Price WS, Arata Y.
  • 雑誌名: Plant Cell Environment 巻: 39 ページ: 2663-2675
  • DOI: 10.1111/pce.12813
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantitative live cell imaging of autophagic flux and roles of autophagy in reproductive development in plants (2016)
  • 著者名/発表者名: Kurusu T, Hanamata S, Kuchitsu K.
  • 雑誌名: Bioimages 巻: 24 ページ: 1-11
  • DOI: 10.11169/bioimages.24.1
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 活性イオウ分子の分指標的 (2016)
  • 著者名/発表者名: 渡邊泰男
  • 雑誌名: 日本薬理学雑誌 巻: 147 ページ: 299-302
  • DOI: 10.1254/fpj.147.285
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Persulfide regulation of mitochondrial number and function (2017)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Akaike
  • 学会等名: The 2017 NO Gordon Research Conference
  • 発表場所: Ventura Beach Marriott (Venture, CA, USA)
  • 年月日: 2017-02-22 – 2017-02-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 活性イオウ分子種：システインポリスルフィドの生体機能と代謝制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 第19回日本質量分析学会北海道談話会講演会
  • 発表場所: 旭川医科大学教育推進センター カンファレンスルーム（旭川市）
  • 年月日: 2017-02-10 – 2017-02-10
  • 招待講演
• [学会発表] 活性イオウ生成酵素の発見：ミトコンドリア形態形成とエネルギー代謝の新しいメカニズム (2016)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 第14回がんとハイポキシア研究会
  • 発表場所: 岐阜グランドホテル（岐阜市）
  • 年月日: 2016-11-04 – 2016-11-04
  • 招待講演
• [学会発表] Cysteinyl-tRNA synthetase is a major source of reactive persulfide and controls mitochondrial biology (2016)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Akaike
  • 学会等名: 第89回日本生化学会大会
  • 発表場所: 仙台国際センター会議棟（仙台市青葉区）
  • 年月日: 2016-09-25 – 2016-09-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細菌感染におけるレドックスシグナル制御機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 第28回微生物学シンポジウム
  • 発表場所: 愛知学院大学薬学部（名古屋市千種区）
  • 年月日: 2016-09-02 – 2016-09-02
  • 招待講演
• [学会発表] 活性イオウ分子種によるミトコンドリア機能制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章、井田智章.
  • 学会等名: 第69回日本酸化ストレス学会学術集会
  • 発表場所: 仙台国際センター会議棟（仙台市青葉区）
  • 年月日: 2016-08-30 – 2016-08-30
  • 招待講演
• [学会発表] 生体内タンパク質ポリスルフィドの検出とその生成機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章、笠松真吾.
  • 学会等名: 第69回日本酸化ストレス学会学術集会
  • 発表場所: 仙台国際センター会議棟（仙台市青葉区）
  • 年月日: 2016-08-30 – 2016-08-30
  • 招待講演
• [学会発表] 活性システインパースルフィドによるレドックス制御の分子基盤 (2016)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 第58回歯科基礎医学会学術大会
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（札幌市白石区）
  • 年月日: 2016-08-24 – 2016-08-24
  • 招待講演
• [学会発表] 新しいCysteine Persulfide Synthaseの発見とそのユニークなレドックス制御メカニズム (2016)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 第12回レドックス・ライフイノベーションシンポジウム
  • 発表場所: 熊本大学医学部医学教育図書棟3階第一講義室（熊本市中央区）
  • 年月日: 2016-08-18 – 2016-08-18
  • 招待講演
• [学会発表] Cysteinyl-tRNA synthetase controls protein polysulfidation and mitochondrial functions (2016)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Akaike
  • 学会等名: The 2016 Thiol-Based Redox Regulation & Signaling Gordon Research Conference
  • 発表場所: Stoweflake Conference Center (Stowe, VT, USA)
  • 年月日: 2016-08-10 – 2016-08-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 新しいCysteine Persulfide Synthaseの発見とそのミトコンドリア機能制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 生理学研究所研究会「オルガネラネットワークの制御機構とその生理的意義」
  • 発表場所: 生理学研究所1F大会議室（岡崎市）
  • 年月日: 2016-07-28 – 2016-07-28
  • 招待講演
• [学会発表] Helicobacter cinaedi infection and atherosclerosis (2016)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Akaike, Tetsuro Matsunaga, Yoshiaki Kawamura, Shigemoto Fujii.
  • 学会等名: 第48回日本動脈硬化学会総会・学術集会
  • 発表場所: 京王プラザホテル（東京都新宿区）
  • 年月日: 2016-07-15 – 2016-07-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 生体防御応答のレドックス制御機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 第27回日本生体防御学会学術総会
  • 発表場所: 九州大学病院キャンパス内 コラボステーションI 視聴覚ホール（福岡市東区）
  • 年月日: 2016-07-08 – 2016-07-08
  • 招待講演
• [学会発表] Cysteine transfer RNA synthetases moonlighting as novel cysteine persulfide synthases (CPERSs) (2016)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Akaike
  • 学会等名: The 9th International Conference on the Biology, Chemistry, and Therapeutic Applications of Nitric Oxide
  • 発表場所: 仙台国際センター会議棟（仙台市青葉区）
  • 年月日: 2016-05-21 – 2016-05-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Host defense and oxidative stress signaling in microbial infections (2016)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Akaike
  • 学会等名: The 13th Korea-Japan International Symposium on Microbiology
  • 発表場所: The-K Hotel Gyeongju (Gyeongbuk, Korea)
  • 年月日: 2016-05-13 – 2016-05-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 気道炎症と呼気NO (2016)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 第56回日本呼吸器学会学術講演会
  • 発表場所: 京都国際会館（京都市左京区）
  • 年月日: 2016-04-10 – 2016-04-10
  • 招待講演
• [図書] Chronic Inflammation: Elucidation and Control of the Mechanisms (K. Takatsu and M. Miyasaka eds) (2016)
  • 著者名/発表者名: Sawa, T.
  • 総ページ数: 702
  • 出版者: Springer (Tokyo, Japan)
• [備考] 東北大学大学院医学系研究科環境保健医学分野ホームページ
  • URL: http://www.toxicosci.med.tohoku.ac.jp/
• [産業財産権] イオウ原子を同位体標識したシステイン及びシステイン誘導体の合成法の確立 (2016)
  • 発明者名: 小野勝彦、澤智裕
  • 権利者名: 熊本大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2016-090864
  • 出願年月日: 2016-04-28