食を起源とする短寿命分子種の生命基盤

2020 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, ジョイントリサーチ部門准教授 (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) 抗酸化剤を介した自然抗体リガンド生成機構の解析：卵殻膜から精製可能なリジルオキシダーゼを用い、タンパク質分子上に生じる酸化的脱アミノ化リジンの解析を行った結果、新規修飾構造として環状イミン構造を有する2-ピペリジノール構造を同定した。
(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：主に腹腔に存在し、T細胞非依存的に抗体を産生するB１細胞がアクロレイン修飾蛋白質に反応することを明らかにした。また生体内に化学修飾をハプテンとする多種の抗体が存在することを示した。さらに、抗酸化性ペプチドとして市販されているカルノシンなどのイミダゾールジペプチド（IDPs）の酸化代謝物である2-オキソイミダゾールジペプチド(2-oxo-IDPs)の絶対定量法を確立した。
(3) 過硫黄分子によるタンパク質パースルフィド化：高感度LC-MS/MSを用いた活性硫黄メタボローム解析システムを確立し、過硫黄分子種の主要な生体内産生系として、システイニル-tRNA合成酵素（CARS）を同定した。CARSは、システインを基質としてタンパク質翻訳と共役して新生タンパク質を過硫黄化していることを見出した。さらに、CARS由来の過硫黄分子種がミトコンドリア電子伝達系に関わることを発見した。
(4) 短寿命分子種による細胞内タンパク質機能制御：パースルフィドドナー処理によるプロテインジスルフィドイソメラーゼ(PDI)のスルフヒドリル化修飾を調べたところ、酵素活性以外のCys残基も対象となることが判明した。パースルフィドドナー処理による酵素活性への影響を調べたところ、native PDIよりもさらに活性が高くなり、タンパク質内ジスルフィド形成も亢進していた。以上のことより、パースルフィドドナーによるPDIのスルフヒドリル化修飾は酵素活性を正に調節している可能性が示唆された。

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

(1)リジルオキシダーゼにおいても、リジン修飾の主要な酸化生成物として環状イミン構造を同定し、カテキンなどの抗酸化剤と全く同様の分子機構によるリジン酸化修飾反応を明らかにするなど、新規な知見を得つつ順調に進んでいる。
(2)IDPsの酸化修飾構造として2-oxo-IDPsを生体内から検出し、さらに2-オキソ構造が抗酸化剤としての活性本体であることを明らかにするなど、画期的知見を得た。T細胞非依存的にアクロレインハプテン特異的な抗体が産生されることを示したてきたが、B細胞のうち、おもに腹腔に存在し、T細胞非依存的に抗体産生をするB１細胞がアクロレイン修飾蛋白質に反応することを明らかにした。また生体内には化学修飾をハプテンとする多種の抗体が存在することを示した。
(3) 新規活性硫黄生成系およびミトコンドリア電子伝達系と共役した硫黄代謝系の解明のための解析を行ったが、そのために本研究の当初目的の一つである活性硫黄種の生理的機能の解明に関する知見をさらに深めることができ、研究はおおむね順調に進展していると評価できる。
(4) PDIのパースルフィドドナー処理によるスルフヒドリル化修飾は酵素活性を正に制御することが初めてわかった。さらには，NO誘発性の神経細胞死数の現象やアポトーシスマーカーであるPARP分解や核凝縮もパースルフィドドナー処理によって有意に抑制されることが明らかとなった。以上の成績から，酸化ストレスやニトロソ化ストレスに対して、パースルフィドドナーは防御的に機能する可能性が考えられた。

今後の研究の推進方策

(1)2-ピペリジノール構造の機能性に着目し、IgM抗体との親和性などについて検討する。さらに、ポリフェノールによる2-ピペリジノール構造の生成について検討することにより、酸化的脱アミノ化を基軸にした抗酸化剤の反応性に関する新たな知見を得る。
(2)抗酸化剤修飾タンパク質による炎症制御メカニズムのより詳細な解析を進めるとともに、細胞外ヒストンへの影響について検討を行う。また抗酸化剤修飾による細胞の遊走や分化を制御する機能性コラーゲン開発に向け研究を展開する。B細胞を欠く変異導入マウスの血清蛋白質を用い、アクロレイン修飾を受ける蛋白質を同定する。またアクロレイン以外の修飾についても、それらの標的を明らかにする。さらに、アクロレインハプテンに対するIgA抗体はT細胞依存的であることが示唆されているが、T細胞非依存的IgMおよびIgGクラスの抗体も含め、生体内でのそれらの意義について検討する。
(3) 過硫黄分子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、食餌による硫黄摂取と生体内過硫黄分子生成との関連および硫黄代謝が関わる生理機能についての解析を進めていく。
(4) これまでの成果は主にリコンビナントタンパク質や培養細胞レベルでの検討である。今後は、ヒトiPS細胞やヒト病態脳（パーキンソン病やアルツハイマー病）を用いて、PDIスルフヒドリル化修飾の生理・病態生理学的役割を検討する必要がある。この結果を踏まえて、パースルフィドドナーの治療薬シーズとしての開発に有益な情報を与えたいと考えている。

研究成果

• [雑誌論文] ATP exposure stimulates glutathione efflux as a necessary switch for NLRP3 inflammasome activation (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhang Tianli、Tsutsuki Hiroyasu、Islam Waliul、Ono Katsuhiko、Takeda Kohsuke、Akaike Takaaki、Sawa Tomohiro
  • 雑誌名: Redox Biology 巻: 41 ページ: 101930～101930
  • DOI: 10.1016/j.redox.2021.101930
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On-tissue polysulfide visualization by surface-enhanced Raman spectroscopy benefits patients with ovarian cancer to predict post-operative chemosensitivity (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Honda, T. Hishiki, S. Yamamoto, T. Yamamoto, N. Miura, A. Kubo, M. Itoh, W.-Y. Chen, M. Takano, T. Yoshikawa, T. Kasamatsu, S. Sonoda, H. Yoshizawa, S. Nakamura, Y. Itai, M. Shiota, T. Ida, T. Akaike, Y. Masugi, M. Sakamoto, T. Kato, Y. Ino, H. Yoshida, H. Tsuda, N. Hiraoka, Y. Kabe, M. Suematsu, et al.
  • 雑誌名: Redox Biology 巻: 41 ページ: 101926～101926
  • DOI: 10.1016/j.redox.2021.101926
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Loss of cell wall integrity genes cpxA and mrcB causes flocculation in Escherichia coli (2021)
  • 著者名/発表者名: Sugawara Keita、Toyoda Hayato、Kimura Mami、Hayasaka Shunsuke、Saito Hiromi、Kobayashi Hiroshi、Ihara Kunio、Ida Tomoaki、Akaike Takaaki、Ando Eiji、Hyodo Mamoru、Hayakawa Yoshihiro、Hamamoto Shin、Uozumi Nobuyuki
  • 雑誌名: Biochemical Journal 巻: 478 ページ: 41～59
  • DOI: 10.1042/BCJ20200723
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-Precision Sulfur Metabolomics Innovated by a New Specific Probe for Trapping Reactive Sulfur Species (2021)
  • 著者名/発表者名: Kasamatsu Shingo、Ida Tomoaki、Koga Taisei、Asada Kosho、Motohashi Hozumi、Ihara Hideshi、Akaike Takaaki
  • 雑誌名: Antioxidants & Redox Signaling 巻: 34 ページ: 1407～1419
  • DOI: 10.1089/ars.2020.8073
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Antioxidative and anti-inflammatory actions of reactive cysteine persulfides (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhang Tianli、Tsutsuki Hiroyasu、Ono Katushiko、Akaike Takaaki、Sawa Tomohiro
  • 雑誌名: Journal of Clinical Biochemistry and Nutrition 巻: 68 ページ: 5～8
  • DOI: 10.3164/jcbn.20-13
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] In Vitro Aging of Human Skin Fibroblasts: Age-Dependent Changes in 4-Hydroxynonenal Metabolism (2020)
  • 著者名/発表者名: Petkovic Igor、Bresgen Nikolaus、Gilardoni Ettore、Regazzoni Luca、Uchida Koji、Aldini Giancarlo、Siems Werner、Eckl Peter
  • 雑誌名: Antioxidants 巻: 9 ページ: 150～150
  • DOI: 10.3390/antiox9020150
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Transferrin Receptor Is a Specific Ferroptosis Marker (2020)
  • 著者名/発表者名: Feng Huizhong、Schorpp Kenji、Jin Jenny、Yozwiak Carrie E.、Hoffstrom Benjamin G.、Decker Aubrianna M.、Rajbhandari Presha、Stokes Michael E.、Bender Hannah G.、Csuka Joleen M.、Upadhyayula Pavan S.、Canoll Peter、Uchida Koji、Soni Rajesh K.、Hadian Kamyar、Stockwell Brent R.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 30 ページ: 3411～3423.e7
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.02.049
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitative analysis of oxidized vitamin B1 metabolites generated by hypochlorous acid (2020)
  • 著者名/発表者名: Sasatsuki Hitoshi、Nakazaki Atsuo、Uchida Koji、Shibata Takahiro
  • 雑誌名: Free Radical Biology and Medicine 巻: 152 ページ: 197～206
  • DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2020.03.010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Glycolaldehyde is an endogenous source of lysine N-pyrrolation (2020)
  • 著者名/発表者名: Chikazawa Miho、Yoshitake Jun、Lim Sei-Young、Iwata Shiori、Negishi Lumi、Shibata Takahiro、Uchida Koji
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 295 ページ: 7697～7709
  • DOI: 10.1074/jbc.RA120.013179
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Redox cycling of 9,10-phenanthrenequinone activates epidermal growth factor receptor signaling through S-oxidation of protein tyrosine phosphatase 1B (2020)
  • 著者名/発表者名: Luong Nho Cong、Abiko Yumi、Shibata Takahiro、Uchida Koji、Warabi Eiji、Suzuki Midori、Noguchi Takuya、Matsuzawa Atsushi、Kumagai Yoshito
  • 雑誌名: The Journal of Toxicological Sciences 巻: 45 ページ: 349～363
  • DOI: 10.2131/jts.45.349
  • 査読あり
• [雑誌論文] Acrolein in cigarette smoke attenuates the innate immune responses mediated by surfactant protein D (2020)
  • 著者名/発表者名: Takamiya Rina、Takahashi Motoko、Maeno Toshitaka、Saito Atsushi、Kato Masaki、Shibata Takahiro、Uchida Koji、Ariki Shigeru、Nakano Miyako
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects 巻: 1864 ページ: 129699～129699
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2020.129699
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extracellular vesicles derived from inflamed murine colorectal tissue induce fibroblast proliferation via epidermal growth factor receptor (2020)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Kana、Kuwata Keiko、Yoshitake Jun、Shimomura Sayako、Uchida Koji、Shibata Takahiro
  • 雑誌名: The FEBS Journal 巻: 288 ページ: 1906～1917
  • DOI: 10.1111/febs.15557
  • 査読あり
• [雑誌論文] PPARα Ligand-Binding Domain Structures with Endogenous Fatty Acids and Fibrates (2020)
  • 著者名/発表者名: Kamata Shotaro、Oyama Takuji、Saito Kenta、Honda Akihiro、Yamamoto Yume、Suda Keisuke、Ishikawa Ryo、Itoh Toshimasa、Watanabe Yasuo、Shibata Takahiro、Uchida Koji、Suematsu Makoto、Ishii Isao
  • 雑誌名: iScience 巻: 23 ページ: 101727～101727
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101727
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Measuring Reactive Sulfur Species and Thiol Oxidation States: Challenges and Cautions in Relation to Alkylation-Based Protocols (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagy Peter、Doka Eva、Ida Tomoaki、Akaike Takaaki
  • 雑誌名: Antioxidants & Redox Signaling 巻: 33 ページ: 1174～1189
  • DOI: 10.1089/ars.2020.8077
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Glutathione Trisulfide Prevents Lipopolysaccharide-induced Inflammatory Gene Expression in Retinal Pigment Epithelial Cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Tawarayama Hiroshi、Suzuki Noriyuki、Inoue-Yanagimachi Maki、Himori Noriko、Tsuda Satoru、Sato Kota、Ida Tomoaki、Akaike Takaaki、Kunikata Hiroshi、Nakazawa Toru
  • 雑誌名: Ocular Immunology and Inflammation 巻: 0 ページ: 1～12
  • DOI: 10.1080/09273948.2020.1833224
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enzymatic Regulation and Biological Functions of Reactive Cysteine Persulfides and Polysulfides (2020)
  • 著者名/発表者名: Sawa Tomohiro、Motohashi Hozumi、Ihara Hideshi、Akaike Takaaki
  • 雑誌名: Biomolecules 巻: 10 ページ: 1245～1245
  • DOI: 10.3390/biom10091245
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 8-Nitro-cGMP modulates exocytosis in adrenal chromaffin cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsutsuki Hiroyasu、Kasamatsu Shingo、Kunieda Kohei、Ida Tomoaki、Sawa Tomohiro、Sasakawa Nobuyuki、Akaike Takaaki、Ihara Hideshi
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 526 ページ: 225～230
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.03.045
  • 査読あり
• [雑誌論文] S-Nitrosylation at the active site decreases the ubiquitin-conjugating activity of ubiquitin-conjugating enzyme E2 D1 (UBE2D1), an ERAD-associated protein (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujikawa Kana、Nakahara Kengo、Takasugi Nobumasa、Nishiya Tadashi、Ito Akihiro、Uchida Koji、Uehara Takashi
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 524 ページ: 910～915
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.02.011
  • 査読あり
• [学会発表] 抗酸化剤機能のパラダイムシフト (2021)
  • 著者名/発表者名: 内田浩二
  • 学会等名: 日本農芸化学会2021年度大会「抗酸化研究の新展開」シンポジウム
• [学会発表] 酸化型ビタミンC修飾タンパク質とヒストンH2Bの相互作用メカニズムの解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 板倉正典, 山口公輔, 佐々木栄太, 吉武淳, 柴田貴広, 大野礼一, 永井竜児, 内田浩二
  • 学会等名: 日本農芸化学会2021年度大会
• [学会発表] ポリフェノール修飾タンパク質によるヒストン結合を介した細胞保護作用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山口公輔, 板倉正典, 佐々木栄太, 赤川貢, 内田浩二
  • 学会等名: 日本農芸化学会2021年度大会
• [学会発表] ピロール化タンパク質による抗DNA自己抗体産生機構に関する研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 林世映, 近澤未歩, 板倉正典, 佐々木栄太, 松田知成, 内田浩二
  • 学会等名: 日本農芸化学会2021年度大会
• [学会発表] 抗体工学を利用した二重交差性自己抗体の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 阿南優佑, 佐々木栄太, 板倉正典, 上田宏, 内田浩二
  • 学会等名: 日本農芸化学会2021年度大会
• [学会発表] ファージディスプレイ法によるポリフェノール修飾タンパク質結合ペプチドの探索 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山本広史, 佐々木栄太, 板倉正典, 内田浩二
  • 学会等名: 日本農芸化学会2021年度大会
• [学会発表] アスコルビン酸の関与するピロール化タンパク質の形成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉武淳, 柴田貴広, 内田浩二
  • 学会等名: 日本農芸化学会2021年度大会
• [学会発表] 低密度リポタンパク質における酸化リン脂質修飾構造の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大塚優人, 青山拓生, 平出直哉, 内田浩二, 柴田貴広
  • 学会等名: 日本農芸化学会2021年度大会
• [学会発表] 活性硫黄分子によるシグナル伝達と代謝制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 第1回レドックスR&D戦略委員会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 活性硫黄分子によるシグナル伝達と代謝制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 日本農芸化学会2021年度大会
  • 招待講演
• [学会発表] 新型コロナの感染予防制御とポストコロナ時代の先進医療 (2021)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 第94回日本細菌学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] ユニークなタンパク質修飾反応リポキシデーション (2020)
  • 著者名/発表者名: 内田浩二
  • 学会等名: 第93回 日本生化学会大会「新たな酸化脂質研究の潮流」シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] ApoE欠損マウスにおけるピロール化リジンの多重交差性抗DNA抗体産生促進に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 林世映, 近澤未歩, 板倉正典, 佐々木栄太, 内田浩二
  • 学会等名: 第93回日本生化学会大会
• [学会発表] ポリフェノール修飾タンパク質によるヒストンH2B結合を介した抗炎症作用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山口公輔, 板倉正典, 近澤未歩, 佐々木栄太, 赤川貢, 内田浩二
  • 学会等名: 第93回日本生化学会大会
• [学会発表] 細胞外ヒストンの細胞障害性に対する最終糖化産物(AGEs)の保護効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 北澤麗麿, 板倉正典, 近澤未歩, 佐々木栄太, 内田浩二
  • 学会等名: 第93回日本生化学会大会
• [学会発表] 自己免疫疾患における抗DNA抗体の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 阿南優佑, 佐々木栄太, 板倉正典, 近澤未歩, 上田宏, 内田浩二
  • 学会等名: 第93回日本生化学会大会
• [学会発表] ヒストンH2Bへの結合を介した最終糖化産物（AGEs）によるプラスミノーゲン活性調節と炎症制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 板倉正典, 近澤未歩, 佐々木栄太, 内田浩二
  • 学会等名: 第93回日本生化学会大会
• [学会発表] リポキシデーションによるタンパク質自然修飾 (2020)
  • 著者名/発表者名: 内田浩二
  • 学会等名: 第73回日本酸化ストレス学会「新しい酸化脂質解析法を用いたオキシリピッドバイオロジー研究」シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] エキスポソームに備える生体防御系としての自然抗体 (2020)
  • 著者名/発表者名: 内田浩二
  • 学会等名: 第94回日本薬理学会年会「薬理学・毒性学視点からアプローチするエクスポソーム研究」シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] NO・活性酸素シグナルから始まる硫黄生物学研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: プラズマバイオコンソーシアム2020年度研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 一酸化窒素によるDNA脱メチル化を介した遺伝子の誘導 (2020)
  • 著者名/発表者名: 谷口理香子, 飯島悠太, 中原健吾, 高杉展正, 上原 孝
  • 学会等名: 第61回日本生化学会 中国・四国支部例会
• [学会発表] 一酸化窒素による新たな遺伝子発現調節機構 (2020)
  • 著者名/発表者名: 上原 孝
  • 学会等名: 第93回日本生化学会大会
• [学会発表] NOによる新規遺伝子発現調節機構：分子特異的酸化修飾抑制薬の開発を目指して (2020)
  • 著者名/発表者名: 上原 孝
  • 学会等名: 第73回日本酸化ストレス学会/第20回日本NO学会 合同学術集会
• [学会発表] 一酸化窒素によるタンパク質ユビキチン化制御機構 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤河香奈, 高杉展正, 上原 孝
  • 学会等名: 第73回日本酸化ストレス学会/第20回日本NO学会 合同学術集会
• [学会発表] 一酸化窒素応答性遺伝子発現を介した神経細胞死誘導機構 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中原健吾, 宮崎育子, 高杉展正, 浅沼幹人, 上原 孝
  • 学会等名: 第73回日本酸化ストレス学会/第20回日本NO学会 合同学術集会
• [図書] 活性硫黄分子種によるエネルギー代謝とタンパク質劣化防止機能 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高田剛, 松永哲郎, 赤池孝章
  • 総ページ数: 3 (25-27)
  • 出版者: バイオサイエンスとインダストリー
• [図書] 食と健康を結ぶメディカルサイエンス (2020)
  • 著者名/発表者名: 内田 浩二
  • 総ページ数: 242
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 978-4-7581-0387-9
• [図書] 食と健康を結ぶメディカルサイエンス “リポキシデーションによるタンパク質の自然修飾” (2020)
  • 著者名/発表者名: 内田 浩二
  • 総ページ数: 5(1605-1609)
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 978-4-7581-0387-9
• [図書] 食と健康を結ぶメディカルサイエンス “システイン残基におけるユニークな自然修飾” (2020)
  • 著者名/発表者名: 中島史恵、柴田貴広、内田浩二
  • 総ページ数: 7(1622-1628)
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 978-4-7581-0387-9
• [図書] 4. 抗酸化:活性パースルフィドによる制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高田剛, 松永哲郎, 赤池孝章
  • 総ページ数: 6 (1663-1668)
  • 出版者: 実験医学【食と健康を結ぶメディカルサイエンス】