翻訳に共役したポリサルファ化タンパク質生合成機構の解明

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16K15208
• 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: 藤井 重元 東北大学, 医学系研究科, 准教授 (00325333) ; 井田 智章 東北大学, 医学系研究科, 助教 (70570406)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: タンパク質ポリサルファ化 / システインポリスルフィド / システイン-tRNA合成酵素 / 活性イオウ分子種

研究実績の概要

本研究では、我々が最近発見したシステイン-tRNA合成酵素（CARS）による生物種横断的なシステインポリスルフィド生合成および翻訳に共役したタンパク質ポリサルファ化の分子メカニズムを解明し、その生理機能を明らかにすることを目的としている。昨年度までの本研究課題において、質量分析（LC-MS/MS）を用いた各種活性イオウ分子種のメタボローム解析およびタンパク質ポリサルファのゲルシフトアッセイとプロテオーム解析により、細菌および哺乳類のCARSのシステインパースルフィド合成活性とタンパク質ポリスルフィド化への関与を明らかにしてきた。本年度は、CARSによるシステインパースルフィド産生およびタンパク質ポリスルフィド化の分子機構について詳細に解析した。その結果、細菌および哺乳類の各種CARSのシステインパースルフィド合成活性の解析により、システインを基質としたシステインパースルフィド産生の酵素反応機構と活性発現に関与するアミノ酸残基を明らかにした。また、無細胞タンパク質合成系と各種アミノ酸変異CARSを用いた解析により、CARSは様々なタンパク質を普遍的にポリサルファ化することが明らかになった。さらに、ミトコンドリアに局在するCARS2を欠損させた細胞の解析により、CARS2によるタンパク質ポリサルファ化がミトコンドリアの伸長・分裂や膜電位形成などの機能制御に深く関わっていることが示された。CARSによる翻訳に共役したシステインパースルフィド産生とタンパク質ポリサルファ化は、ミトコンドリア機能をはじめとした細胞機能制御に重要な役割を果たしていることが示唆された。

研究成果

• [国際共同研究] National Institute of Oncology(Hungary)
  • 国名: ハンガリー
  • 外国機関名: National Institute of Oncology
• [国際共同研究] University of Southampton(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Southampton
• [国際共同研究] Sonoma State University/University of Vermont(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Sonoma State University/University of Vermont
• [国際共同研究] German Cancer Research Center(Germany)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: German Cancer Research Center
• [雑誌論文] Involvement of nitric oxide/reactive oxygen species signaling via 8-nitro-cGMP formation in 1-methyl-4-phenylpyridinium ion-induced neurotoxicity in PC12 cells and rat cerebellar granule neurons (2018)
  • 著者名/発表者名: Masuda K, Tsutsuki H, Kasamatsu S, Ida T, Takata T, Sugiura K, Nishida M, Watanabe Y, Sawa T, Akaike T, Ihara H.
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun 巻: 495 ページ: 2165～2170
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2017.12.088
  • 査読あり
• [雑誌論文] 8-Nitro-cGMP is a promoter of osteoclast differentiation induced by RANKL (2018)
  • 著者名/発表者名: Kaneko K, Miyamoto Y, Tsukuura R, Sasa K, Akaike T, Fujii S, Yoshimura K, Nagayama K, Hoshino M, Inoue S, Maki K, Baba K, Chikazu D, Kamijo R.
  • 雑誌名: Nitric Oxide 巻: 72 ページ: 46～51
  • DOI: 10.1016/j.niox.2017.11.006
  • 査読あり
• [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: J Cardiovasc Pharmacol 巻: 71 ページ: 113-126
  • DOI: 10.1097/FJC.0000000000000552
  • 査読あり
• [雑誌論文] 8-Nitro-cGMP attenuates the interaction between SNARE complex and complexin through S-guanylation of SNAP-25 (2018)
  • 著者名/発表者名: Kishimoto Y, Kunieda K, Kitamura A, Kakihana Y, Akaike T, Ihara H.
  • 雑誌名: ACS Chem Neurosci 巻: 9 ページ: 217～223
  • DOI: 10.1021/acschemneuro.7b00363
  • 査読あり
• [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
• [雑誌論文] Persulfide synthases function coupled with translation and mediate sulfur respiration (2018)
  • 著者名/発表者名: Fujii S, Sawa T, Motohashi H, Akaike T.
  • 雑誌名: Br J Pharmacol 巻: - ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] 概論 レドックス疾患学：レドックス制御の破綻による病態と新たな疾患概念 (2018)
  • 著者名/発表者名: 本橋ほづみ、赤池孝章、内田浩二、末松 誠.
  • 雑誌名: 実験医学増刊「レドックス疾患学」 巻: 36 ページ: 642～648
• [雑誌論文] 硫黄呼吸の発見：ペルスルフィド産生酵素による新しいエネルギー代謝 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、赤池孝章.
  • 雑誌名: 現代化学 巻: 565 ページ: 55～59
• [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
• [雑誌論文] Quantitative determination of polysulfide in albumins, plasma proteins and biological fluid samples using a novel combined assays approach (2017)
  • 著者名/発表者名: Ikeda M, Ishima Y, Shibata A, Chuang VTG, Sawa T, Ihara H, Watanabe H, Xian M, Ouchi Y, Shimizu T, Ando H, Ukawa M, Ishida T, Akaike T, Otagiri M, Maruyama T.
  • 雑誌名: Anal Chim Acta 巻: 969 ページ: 18～25
  • DOI: 10.1016/j.aca.2017.03.027
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reactive sulfur species inactivate Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase IV via S-polysulfidation of its active-site cysteine residue (2017)
  • 著者名/発表者名: Takata T, Ihara H, Hatano N, Tsuchiya Y, Akaike T, Watanabe Y.
  • 雑誌名: Biochem J 巻: 474 ページ: 2547～2562
  • DOI: 10.1042/BCJ20170092
  • 査読あり
• [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] Disruption of the structural and functional features of surfactant protein A by acrolein in cigarette smoke (2017)
  • 著者名/発表者名: Takamiya R, Uchida K, Shibata T, Maeno T, Kato M, Yamaguchi Y, Ariki S, Hasegawa Y, Saito A, Miwa S, Takahashi H, Akaike T, Kuroki Y, Takahashi M.
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 7 ページ: 8304
  • DOI: 10.1038/s41598-017-08588-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 8-Nitro-cGMP promotes bone growth through expansion of growth plate cartilage (2017)
  • 著者名/発表者名: Hoshino M, Kaneko K, Miyamoto Y, Yoshimura K, Suzuki D, Akaike T, Sawa T, Ida T, Fujii S, Ihara H, Tanaka J, Tsukuura R, Chikazu D, Mishima K, Baba K, Kamijo R.
  • 雑誌名: Free Radic Biol Med 巻: 110 ページ: 63～71
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2017.05.022
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exposure to electrophiles impairs reactive persulfide-dependent redox signaling in neuronal cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Ihara H, Kasamatsu S, Kitamura A, Nishimura A, Tsutsuki H, Ida T, Ishizaki K, Toyama T, Yoshida E, Abdul Hamid H. Jung M, Matsunaga T, Fujii S, Sawa T, Nishida M, Kumagai Y, Akaike T.
  • 雑誌名: Chem Res Toxicol 巻: 30 ページ: 1673～1684
  • DOI: 10.1021/acs.chemrestox.7b00120
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chemical biology of hydropersulfides and related species: Possible roles in cellular protection and redox signaling (2017)
  • 著者名/発表者名: Alvarez L, Bianco CL, Toscano JP, Lin J, Akaike T, Fukuto JM.
  • 雑誌名: Antioxid Redox Signal 巻: 27 ページ: 622～633
  • DOI: 10.1089/ars.2017.7081
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Diversity and microevolution of CRISPR loci in Helicobacter cinaedi (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomida J, Morita Y, Shibayama K, Kikuchi K, Sawa T, Akaike T, Kawamura Y.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 12 ページ: e0186241
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0186241
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Production of reactive persulfide species in chronic obstructive pulmonary disease (2017)
  • 著者名/発表者名: Numakura T, Sugiura H, Akaike T, Ida T, Fujii S, Koarai A, Yamada M, Onodera K, Hashimoto Y, Tanaka R, Sato K, Shishikura Y, Hirano T, Yanagisawa S, Fujino N, Okazaki T, Tamada T, Hoshikawa Y, Okada Y, Ichinose M.
  • 雑誌名: Thorax 巻: 72 ページ: 1074～1083
  • DOI: 10.1136/thoraxjnl-2016-209359
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cysteinyl-tRNA synthetase governs cysteine polysulfidation and mitochondrial bioenergetics (2017)
  • 著者名/発表者名: Akaike T, Ida T, Wei FY, Nishida M, Kumagai Y, Alam MM, Ihara H, Sawa T, Matsunaga T, Kasamatsu S, Nishimura A, Morita M, Tomizawa K, Nishimura A, Watanabe S, Inaba K, Shima H, Tanuma N, Jung M, Fujii S, Watanabe Y, Ohmuraya M, Nagy P, Feelisch M, Fukuto JM, Motohashi H.
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 8 ページ: 1177
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01311-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ニトロ化環状ヌクレオチドと活性イオウ分子によるレドックスシグナル制御と生理機能 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤井重元、赤池孝章.
  • 雑誌名: 化学療法の領域 巻: 33 ページ: 2194～2195
• [雑誌論文] 活性イオウ分子：システインパースルフィドの新規生合成経路の発見とその生理機能 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、赤池孝章.
  • 雑誌名: 硫酸と工業 巻: 70 (11) ページ: 1～9
• [学会発表] Sulfur respiration in mammals and its implication for tumor biology (2018)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Akaike, Tomoaki Ida, Md. Morshedul Alam, Akira Nishimura, Masanobu Morita, Tetsuro Matsunaga, Hozumi Motohashi.
  • 学会等名: The Cold Spring Harbor Asia Conference on Cancer & Metabolism
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] システインパースルフィド産生酵素（Cysteine Persulfide Synthase, CPERS）の発見 (2017)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 第17回日本NO学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] イオウ呼吸とイオウストレス：ほ乳類における新しいエネルギー代謝とレドックス病態 (2017)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章、西村 明、井田智章、松永哲郎、守田匡伸、本橋ほづみ.
  • 学会等名: 2017年度生理学研究所研究会「オルガネラダイナミクスの新規制御機構とその病態生理」
  • 招待講演
• [学会発表] イオウ呼吸とイオウストレス：新しいエネルギー代謝とレドックス病態の提案 (2017)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章、西村 明、井田智章、松永哲郎、守田匡伸、藤井重元、本橋ほづみ.
  • 学会等名: 第70回日本酸化ストレス学会学術集会
• [学会発表] Cysteine polysulfidation governed by cysteinyl-tRNA synthetase (CARSs) (2017)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Akaike
  • 学会等名: Se2017 - 200 Years of Selenium Research (The 11th International Symposium on Selenium in Biology and Medicine and The 5th International Conference on Selenium in the Environment and Human Health)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cysteinyl-tRNA synthetase (CARS) controls endogenous hydropersulfide production and mediates mitochondrial functions and bioenegetics (2017)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Akaike
  • 学会等名: S-Bio 2017 Plant and Human Sulfur Biology Conference 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Discovery of a novel persulfide synthase that mediates mitochondrial sulfur respiration (2017)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Akaike
  • 学会等名: 2nd Karolinska-Tohoku Joint Symposium on Medical Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cysteinyl-tRNA synthetase governs endogenous hydropersulfide production and mediates mitochondrial functions and bioenergetics (2017)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Akaike
  • 学会等名: AARS2017: IUBMB Focused Meeting on Aminoacyl-tRNA Synthetase
  • 国際学会
• [学会発表] Moonlighting functions of cysteinyl-tRNA synthetase: Cysteine hydropersulfide production and regulation of mitochondrial biogenesis and bioenergetics (2017)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Akaike, Akira Nishimura, Tomoaki Ida, Tetsuro Matsunaga, Masanobu Morita, Hozumi Motohashi.
  • 学会等名: SfRBM 2017 - 24th Annual Meeting of the Society for Redox Biology and Medicine
  • 国際学会
• [学会発表] Cysteinyl-tRNA synthetase (CARS) は活性パースルフィド産生とミトコンドリア機能をコントロールしている (2017)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Cysteine persulfide formation via cysteinyl-tRNA synthetase and its involvement in mitochondrial bioenergetics (2017)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Akaike, Tomoaki Ida, Masanobu Morita, Shigemoto Fujii, Akira Nishimura, Tetsuro Matsunaga, Minkyung Jung, Hozumi Motohashi.
  • 学会等名: 8th Joint Meeting of Society for Free Radical Research Australasia and Japan with International Symposium on Coenzyme Q10
  • 国際学会
• [図書] Nitric Oxide: Biology and Pathobiology. 3rd ed. (Ignarro LJ, Freeman BA, eds.) (2017)
  • 著者名/発表者名: Sawa T, Kumagai Y, Akaike T.
  • 総ページ数: 403
  • 出版者: Academic Press
  • ISBN: 978-0-12-804273-1
• [備考] 東北大学大学院医学系研究科 環境医学分野教室ホームページ
  • URL: http://www.toxicosci.med.tohoku.ac.jp