食を起源とする短寿命分子種の生命基盤

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H06170
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 内田 浩二 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (40203533)
• 研究分担者: 赤池 孝章 東北大学, 医学系研究科, 教授 (20231798) ; 上原 孝 岡山大学, 医歯薬学総合研究科, 教授 (00261321) ; 安達 貴弘 東京医科歯科大学, 難治疾患研究所, 准教授 (50222625)
• 研究期間 (年度): 2017-05-31 – 2022-03-31
• キーワード: 短寿命活性種 / 自然免疫 / ポリスルフィド / タンパク質フォールディング

研究実績の概要

1. 抗酸化剤に由来する短寿命分子種の同定・検出：ワインなどに含まれるポリフェノールとして有名なレスベラトロールの代謝物（ピセアタンノール）がタンパク質に作用して生成される短寿命分子として酸化リジン (α-aminoadipic semialdehyde) を同定し、さらにLC-ESI-MS/MSによる高感度検出にも成功した。ピセアタンノールとの反応により生成するタンハク質の構造変化をLC-ESI-MS/MSを用いて機器分析により詳細に解析した結果、リジン２分子が架橋したdehydrolysinonorleucineを検出した。
2. 短寿命抗酸化剤代謝物によるタンパク質の新機能獲得：酸化型ビタミンCと反応させたタンパク質が自然抗体IgM産生を伴う自然免疫機構を活性化することを見出した。また、カテキンとして知られるポリフェノールEGCGと反応させたタンパク質が、自然抗体IgMだけでなくアポリポタンパク質Eとも相互作用することを発見した。
3. 過硫黄分子によるタンパク質パースルフィド化：イオウ関連分子の生理機能解明のために、質量分析による生体内イオウ代謝物質のメタボローム解析を行い、新規ポリスルフィド合成系としてシステイン-tRNA合成酵素（CARS）を同定した。また、CARSが産生するシステインパースルフィドがミトコンドリアにおけるエネルギー産生の制御に関わることを明らかにした。
4. 短寿命分子種による細胞内タンパク質機能制御：活性硫黄種がPDI のポリサルファー化を介して酵素活性を亢進させ、小胞体での異常タンパク質の蓄積を抑制することでストレス抵抗性を獲得する可能性を明らかにした。また、一酸化窒素の標的として同定したDNAメチル基転移酵素の修飾部位に関して、LC-MS/MS 解析を進めた。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

タンパク質のgain-of-functionとして、自然抗体リガンドに着目し、短寿命分子として酸化リジン (α-aminoadipic semialdehyde) を同定し、さらに抗原構造としてリジン架橋物dehydrolysinonorleucineを同定するなど、分子機構の全体像を解明した (Furuhashi et al., Biochemistry, 2017)。また、自然抗体だけでなく、新たな血清因子との相互作用を明らかにするなど、当初の計画以上の進展があった。また、過硫黄分子によるタンパク質パースルフィド化では、新規ポリスルフィド合成系としてシステイン-tRNA合成酵素（CARS）を同定し、さらにCARSが産生するシステインパースルフィドがミトコンドリアにおけるエネルギー産生の制御に関わることを明らかにした (Akaike et al., Nat. Commun., 2017)。さらに、過硫黄分子が小胞体での異常タンパク質の蓄積を抑制することでストレス抵抗性を獲得する可能性を明らかにし、一酸化窒素の標的として同定したDNAメチル基転移酵素の修飾部位に関して、LC-MS/MS 解析を進めるなど大きな進展が見られた

今後の研究の推進方策

1. 抗酸化剤に由来する短寿命分子種の同定・検出：初年度における抗酸化剤に由来する短寿命分子種を介した自然抗体リガンド生成に関する知見を元に、修飾タンパク質上の構造変化を分子レベルで解析する。具体的には、アルブミン表面の活性リジン残基に変異を導入した組み換えタンパク質を用い、アルブミン表面の特定の位置における特定の化学修飾に対するIgMによる認識メカニズムの詳細を精査する。
2. 短寿命抗酸化剤代謝物によるタンパク質の新機能獲得：ビタミンCなどの抗酸化剤を介した自然抗体IgM産生に関わる標的細胞種を同定する。さらに同定した標的細胞を単離し、各種阻害剤及び遺伝子ノックダウン法を用いることで、修飾タンパク質受容・応答機構を明らかにする。
3. 過硫黄分子によるタンパク質パースルフィド化：ポリスルフィドによるミトコンドリア機能制御の分子機構と生理的機能の詳細な解析を行う。さらに、食餌によるイオウ摂取と生体内ポリスルフィド産生との関連およびイオウ代謝が関わる生理機能についての解析を進めていく。
4. 短寿命分子種による細胞内タンパク質機能制御：活性硫黄種の小胞体ストレス軽減を介した神経細胞保護効果を検討する。また，NOに加えて種々の親電子性化合物によるDNAメチル基転移酵素調節機構の詳細を検討する。

研究成果

• [雑誌論文] Structural and functional insights into S-thiolation of human serum albumins (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakashima F, Shibata T, Kamiya K, Yoshitake J, Kikuchi R, Matsushita T, Ishii I, Gimenez-Bastida JA, Schneider C, Uchida K.
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 8 ページ: 932
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.7b00409.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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 / オープンアクセス
• [雑誌論文] 脂質異常症に関連したタンパク質のS-チオール化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中島史恵、柴田貴広、内田浩二
  • 雑誌名: 実験医学増刊 「レドックス疾患学」 (赤池孝章、本橋ほづみ、内田浩二、末松誠 編集) 羊土社 巻: 36 ページ: 264-270
• [雑誌論文] 活性イオウによる生体防御応答、エネルギー代謝と寿命制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 澤 智裕、赤池孝章
  • 雑誌名: 実験医学増刊 「レドックス疾患学」 (赤池孝章、本橋ほづみ、内田浩二、末松誠 編集) 羊土社 巻: 36 ページ: 649-655
• [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] Adductome-based identification of biomarkers for lipid peroxidation. (2017)
  • 著者名/発表者名: Shibata T, Shimizu K, Hirano K, Nakashima F, Kikuchi R, Matsushita T, Uchida K.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 292 ページ: 8223-8235
  • DOI: 10.1074/jbc.M116.762609.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Oxidative metabolism of curcumin-glucuronide by peroxidases and isolated human leukocytes (2017)
  • 著者名/発表者名: Luis PB, Gordon ON, Nakashima F, Joseph AI, Shibata T, Uchida K, Schneider C.
  • 雑誌名: Biochem. Pharmacol. 巻: 132 ページ: 143-149
  • DOI: 10.1016/j.bcp.2017.03.002.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Roles of 5-lipoxygenase and cyclooxygenase-2 in the biosynthesis of hemiketals E2 and D2 by activated human leukocytes (2017)
  • 著者名/発表者名: Gimenez-Bastida JA, Shibata T, Uchida K, Schneider C.
  • 雑誌名: FASEB J. 巻: 31 ページ: 1867-1878
  • DOI: 10.1096/fj.201601136R.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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] Identification of Polyphenol-Specific Innate Epitopes That Originated from a Resveratrol Analogue (2017)
  • 著者名/発表者名: Furuhashi M, Hatasa Y, Kawamura S, Shibata T, Akagawa M, Uchida K.
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 56 ページ: 4701-4712
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.7b00409.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lipid radicals cause light-induced retinal degeneration. (2017)
  • 著者名/発表者名: Enoki M, Shinto S, Matsuoka Y, Otsuka A, Kaidzu S, Tanito M, Shibata T, Uchida K, Ohira A, Yamato M, Yamada KI.
  • 雑誌名: Chem. Commun. 巻: 53 ページ: 10922-10925
  • DOI: 10.1039/c7cc03387g.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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 J, Motohashi H.
  • 雑誌名: Nature 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
• [学会発表] 自然抗体エピトープを有する食品成分の探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 三輪恭行、今堀夏奈美、古橋麻衣、柴田貴広、内田浩二
  • 学会等名: 日本農芸化学会2018年度大会
• [学会発表] ポリフェノールオキシダーゼによる茶カテキンの自然抗体リガンド生成能の増強 (2018)
  • 著者名/発表者名: 今堀夏奈美、三輪恭行、李相美、柴田貴広、内田浩二
  • 学会等名: 日本農芸化学会2018年度大会
• [学会発表] アポリポプロテインEによるピロール化タンパク質の制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 平出直哉、柴田貴広、内田浩二
  • 学会等名: 日本農芸化学会2018年度大会
• [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
• [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