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2018 年度 実績報告書

アポリポタンパク質の構造異常によるアミロイド線維形成の分子機構解明と制御法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 17H03979
研究機関京都薬科大学

研究代表者

斎藤 博幸  京都薬科大学, 薬学部, 教授 (60300919)

研究分担者 小林 典裕  神戸薬科大学, 薬学部, 教授 (90205477)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2021-03-31
キーワード薬学 / 生物物理化学 / 蛋白質 / 脂質膜 / 抗体 / アミロイドーシス
研究実績の概要

本研究課題では、血中や脳内でのコレステロール輸送を制御しているアポリポタンパク質のアミロイド形成機構の分子論解明を目的として、アミロイド線維形成過程の速度論的・熱力学的解析と共に、脂質や糖鎖等の体内因子による線維形成・臓器選択的沈着・毒性発現メカニズムに関する生化学的・細胞生物学的解析を行う。さらに、アミロイド線維の高感度検出法と形成制御・代謝回転促進技術の開発に向けた新規アミロイド抗体の開発や天然由来化合物の探索を行うことで、アミロイドーシス疾患の新たな診断・治療法開発のための科学的基盤構築を目指している。
平成30年度は、Iowa変異型アポA-Iアミロイドの凝集・線維化過程を線維結合プローブの蛍光変化から経時的に追跡し、核形成-自己触媒線維伸長モデルに基づいたFinke-Watzky式の適用による速度論的解析、並びに核形成及び線維伸長の各過程に対する熱力学的解析を行った。その結果、アポA-Iの核形成過程はエンタルピー的に不利である一方、エントロピー的には有利な反応であるが、線維伸長過程はエンタルピー的にもエントロピー的にも不利な反応であることが示された。さらに、欠損変異体を用いた解析から、凝集傾向の高い50-58残基がアポA-Iの核形成をエントロピー駆動的に促進する領域であることが明らかとなった。
また、Iowa変異型アポA-Iが形成するアミロイド線維の詳細構造解明を目的として、N末側、中央部及びC末側の各領域にシステイン残基を導入し、蛍光プローブであるピレンで部位特異的に標識した変異体を作製した。線維形成前後でのピレンexcimer蛍光の解析から、アポA-Iアミロイド線維はN末端領域とC末端領域を除いた中央部領域が凝集することにより形成され、特に14-22残基と50-58残基を含む2ヶ所の凝集傾向の高い領域が線維構造の核を形成していることを世界で初めて明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
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

アミロイド線維の形成は、タンパク質分子が初期会合する核形成過程と、形成した核を鋳型として自己触媒的に線維が伸長する過程の二段階で進行する。このような動的な線維形成過程に関する情報は、アミロイド線維の形成、伝播、代謝回転(沈着線維から可溶性会合体への脱会合)のメカニズムを理解する上で重要である。平成30年度は、Iowa変異型アポA-Iの凝集・線維化過程を、核形成-自己触媒線維伸長モデルに基づいたFinke-Watzky式の適用による速度論的解析、並びに各速度定数の温度依存性のEyring式を用いた解析から、核形成と線維伸長過程の活性化エネルギー項目を決定した。その結果、核形成と線維伸長過程のエネルギー障壁の内訳はエンタルピー項の寄与が大きいが、エントロピー項は核形成では有利に、線維伸長では不利に働いていることが明らかとなり、疎水性の高い50-58残基がおそらく脱水和することで核形成反応をエントロピー駆動的に促進していた。以上のようなアポA-Iアミロイド線維形成過程に関する熱力学的解析は世界で初めてであり、アポA-Iアミロイド形成機構解明の物理化学的基盤となる重要な知見を与えた。
また、Iowa変異型アポA-IのN末1-83フラグメントが形成するアミロイド線維の詳細構造を解析した結果、アポA-Iアミロイド線維はプロリン残基に富むN末端領域と負電荷アミノ酸に富むC末端領域を除いた中央部領域が凝集することにより形成され、特に14-22残基と50-58残基を含む2ヶ所の凝集傾向の高い領域が線維構造の核を形成していることが明らかとなった。このようなアポA-Iアミロイド線維のアミノ酸レベルでの構造に関する知見は世界で初めてであり、今後、構造特異抗体開発や天然由来化合物の作用点解明などへの応用が期待される成果である。
以上のように、当初の研究計画に対しておおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

2019年度は、様々なアミロイド線維との臓器や組織における共沈着が報告されてアポEタンパク質について、そのアミロイド沈着促進/抑制メカニズムの解明研究に着手する。具体的には、アミロイドタンパク質の線維形成過程や動的構造安定性、脂質や糖鎖との相互作用におけるアポEのcofactorとしての関与を明らかにする。この際、野生型であるアポE3とアルツハイマー病発症危険因子であるアポE4アイソフォームに関する申請者のこれまでの構造機能比較研究(JBC 278, 40723, 2003; Biochemistry 49, 10881, 2010; 53, 4025, 2014; BBA 1841, 1716, 2014)を基盤とした物理化学的解析を中心に進める。また、アミロイド線維形成・沈着におけるヘパラン硫酸などの硫酸化糖鎖の関与については、糖鎖結合領域を改変したアポE変異体を用いた物理化学的解析(JBC 278, 14782, 2003; 280, 5414, 2005; Biochemistry 47, 6702, 2008)や、糖鎖改変CHO細胞株を用いた細胞生物学的解析(JBC 290, 24210, 2015; Am. J. Pathol. 189, 308, 2019)が可能である。
また、アミロイド線維の形成制御・代謝回転促進技術の開発を目的として、ポリフェノール類であるEGCG誘導体やグリコシド、トリテルペノイド類などの天然由来化合物のin vitroスクリーニングからアミロイド線維形成阻害・脱会合作用を示す化合物を選定する。さらに、得られた候補化合物のアミロイド線維細胞毒性軽減効果をヒト培養細胞を用いて検証することで、アミロイド生成(アミロイドゲネシス)を標的とした新規治療薬候補化合物の探索を進める。

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 3件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 3件)

  • [国際共同研究] University of Pennsylvania(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of Pennsylvania
  • [国際共同研究] V.N. Karazin Kharkiv National University(ウクライナ)

    • 国名
      ウクライナ
    • 外国機関名
      V.N. Karazin Kharkiv National University
  • [国際共同研究] 国立科学研究センター (CNRS)(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      国立科学研究センター (CNRS)
  • [雑誌論文] The Accumulation of Heparan Sulfate S-Domains in Kidney Transthyretin Deposits Accelerates Fibril Formation and Promotes Cytotoxicity2019

    • 著者名/発表者名
      Kameyama Hirokazu、Uchimura Kenji、Yamashita Taro、Kuwabara Kaori、Mizuguchi Mineyuki、Hung Shang-Cheng、Okuhira Keiichiro、Masuda Tomohiro、Kosugi Tomoki、Ohgita Takashi、Saito Hiroyuki、Ando Yukio、Nishitsuji Kazuchika
    • 雑誌名

      The American Journal of Pathology

      巻: 189 ページ: 308~319

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.ajpath.2018.09.015

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A novel amphipathic cell-penetrating peptide based on the N-terminal glycosaminoglycan binding region of human apolipoprotein E2019

    • 著者名/発表者名
      Ohgita Takashi、Takechi-Haraya Yuki、Nadai Ryo、Kotani Mana、Tamura Yuki、Nishikiori Karin、Nishitsuji Kazuchika、Uchimura Kenji、Hasegawa Koki、Sakai-Kato Kumiko、Akaji Kenichi、Saito Hiroyuki
    • 雑誌名

      Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes

      巻: 1861 ページ: 541~549

    • DOI

      10.1016/j.bbamem.2018.12.010

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Effect of Phosphatidylserine and Cholesterol on Membrane-mediated Fibril Formation by the N-terminal Amyloidogenic Fragment of Apolipoprotein A-I2018

    • 著者名/発表者名
      Mizuguchi Chiharu、Nakamura Mitsuki、Kurimitsu Naoko、Ohgita Takashi、Nishitsuji Kazuchika、Baba Teruhiko、Shigenaga Akira、Shimanouchi Toshinori、Okuhira Keiichiro、Otaka Akira、Saito Hiroyuki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 8 ページ: 5497

    • DOI

      10.1038/s41598-018-23920-3

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Lipid Bilayer Interactions of Amyloidogenic N-Terminal Fragment of Apolipoprotein A-I Probed by F?rster Resonance Energy Transfer and Molecular Dynamics Simulations2018

    • 著者名/発表者名
      Gorbenko Galyna P.、Trusova Valeriya、Mizuguchi Chiharu、Saito Hiroyuki
    • 雑誌名

      Journal of Fluorescence

      巻: 28 ページ: 1037~1047

    • DOI

      10.1007/s10895-018-2267-7

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Current Understanding of Physicochemical Mechanisms for Cell Membrane Penetration of Arginine-rich Cell Penetrating Peptides: Role of Glycosaminoglycan Interactions2018

    • 著者名/発表者名
      Takechi-Haraya Yuki、Saito Hiroyuki
    • 雑誌名

      Current Protein & Peptide Science

      巻: 19 ページ: 623~630

    • DOI

      10.2174/1389203719666180112100747

    • 査読あり
  • [学会発表] ApoE糖鎖結合ドメイン改変型両親媒性アルギニンペプチドの細胞膜透過機構2019

    • 著者名/発表者名
      小谷真菜、田村悠樹、扇田隆司、原矢佑樹、西辻和親、内村健治、長谷川功紀、加藤くみ子、赤路健一、斎藤博幸
    • 学会等名
      日本薬学会第139年会
  • [学会発表] Iowa変異型アポA-Iのアミロイド線維形成過程に関する速度論的・熱力学的解析2019

    • 著者名/発表者名
      坂井美冴、藤田かほ、堀内爽加、水口智晴、扇田隆司、斎藤博幸
    • 学会等名
      日本薬学会第139年会
  • [学会発表] 両親媒性環状ペプチドの細胞膜透過機構解明に向けたペプチドの合成2019

    • 著者名/発表者名
      錦織花梨、長谷川功紀、原矢佑樹、扇田隆司、加藤くみ子、赤路健一、斎藤博幸
    • 学会等名
      日本薬学会第139年会
  • [学会発表] 部位特異的蛍光標識によるアポA-Iアミロイド線維詳細構造の評価2019

    • 著者名/発表者名
      水口智晴、藤田かほ、堀内爽加、扇田隆司、斎藤博幸
    • 学会等名
      日本薬学会第139年会
  • [学会発表] Effects of Iowa (G26R) mutation on fibril formation by an amyloidogenic N-terminal fragment of apoA-I2018

    • 著者名/発表者名
      Mizuguchi C., Ito E., Nakamura M., Ohgita T., Baba T., Shimanouchi T., Okuhira K., Saito H.
    • 学会等名
      The XVIth International Symposium on Amyloidosis
    • 国際学会
  • [学会発表] Pathological roles of heparan sulfate S-domains in ATTR amyloidosis2018

    • 著者名/発表者名
      Nishitsuji K., Uchimura K., Yamashita T., Kuwabara K., Kameyama H., Mizuguchi M., Okuhira K., Ohgita T., Saito H., Ando Y.
    • 学会等名
      The XVIth International Symposium on Amyloidosis
    • 国際学会
  • [学会発表] アルギニンペプチドの両親媒性が細胞膜透過性に及ぼす影響2018

    • 著者名/発表者名
      扇田隆司、灘井亮、田村悠樹、小谷真奈、田中翔子、原矢佑樹、西辻和親、内村健治、長谷川功紀、加藤くみ子、赤路健一、斎藤博幸
    • 学会等名
      日本膜学会第40年会
  • [学会発表] ApoA-Iアミロイド構造を特異的に認識する新規モノクローナル抗体の開発2018

    • 著者名/発表者名
      扇田隆司、服部恵美、古谷優樹、森田いずみ、大山浩之、小林典裕、斎藤博幸
    • 学会等名
      第6回日本アミロイドーシス研究会学術集会
  • [学会発表] 新規モノクローナル抗体を用いたApoA-I高次構造変化の検出2018

    • 著者名/発表者名
      扇田隆司、服部恵美、古谷優樹、森田いずみ、大山浩之、小林典裕、斎藤博幸
    • 学会等名
      第16回次世代を担う若手のためのフィジカル・ファーマフォーラム
  • [学会発表] 欠損変異体を用いたアポ A-Iアミロイド線維形成過程の解明2018

    • 著者名/発表者名
      水口智晴、中川美穂、堀内爽加、藤田かほ、扇田隆司、奥平桂一郎、斎藤博幸
    • 学会等名
      第91回日本生化学会大会
  • [学会発表] ApoA-Iアミロイド線維検出のための新規構造特異抗体の開発2018

    • 著者名/発表者名
      扇田隆司、古谷優樹、服部恵美、森田いずみ、大山浩之、小林典裕、斎藤博幸
    • 学会等名
      第91回日本生化学会大会
  • [学会発表] Iowa変異型アポA-Iのアミロイド形成過程における各線維化領域の役割2018

    • 著者名/発表者名
      中川美穂、藤田かほ、堀内爽加、水口智晴、扇田隆司、斎藤博幸
    • 学会等名
      第68回日本薬学会近畿支部大会
  • [学会発表] アポA-Iアミロイド形成に対するホスファチジルエタノールアミンの影響2018

    • 著者名/発表者名
      栗光直子、中村光希、水口智晴、島内寿徳、斎藤博幸
    • 学会等名
      第68回日本薬学会近畿支部大会
  • [学会発表] 抗ApoA-I線維モノクローナル抗体の反応特異性の評価2018

    • 著者名/発表者名
      服部恵美、中川美穂、原田航吉、古谷優樹、扇田隆司、森田いずみ、大山浩之、小林典裕、斎藤博幸
    • 学会等名
      第68回日本薬学会近畿支部大会
  • [学会発表] Iowa変異型アポA-Iの脂質膜相互作用・アミロイド線維化に及ぼすリン脂質組成の影響2018

    • 著者名/発表者名
      水口智晴、栗光直子、扇田隆司、島内寿徳、斎藤博幸
    • 学会等名
      膜シンポジウム2018
  • [学会発表] HS S-domains that accumulate in ATTR amyloidosis patients accelerate and mediate formation and cytotoxicity of transthyretin fibrils2018

    • 著者名/発表者名
      Nishitsuji K., Uchimura K., Yamashita T., Kameyama H., Kuwabara K., Mizuguchi M., Hung S.-C., Okuhira K., Ohgita T., Saito H., Ando Y.
    • 学会等名
      Society for Glycobiology Annual Meeting 2018
    • 国際学会

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公開日: 2019-12-27  

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