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2018 年度 実績報告書

亜鉛イオンとERp44の連携による分泌経路の新たなタンパク質品質管理機構

研究課題

研究課題/領域番号 18H03978
研究機関東北大学

研究代表者

稲葉 謙次  東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (10423039)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード蛋白質品質管理 / 小胞体 / ゴルジ体 / 亜鉛イオン / X線結晶構造解析 / クライオ電子顕微鏡
研究実績の概要

平成30年度初めの時点で投稿中であった亜鉛イオンによるERp44の構造機能制御に関する論文について、平成31年2月にNature Communications誌に掲載された。

平成30年度は、1)ERp44の機能制御を司る亜鉛トランスポーターの同定、2)亜鉛トランスポーターZnTファミリーの高分解能構造解析の二つを主たる研究課題として進めた。1)の課題については、ゴルジ体に存在する亜鉛トランスポーターZnT4-7をそれぞれ系統的にノックダウンした細胞中でのERp44の局在とクライアントタンパク質逆輸送活性を解析し、ZnT7がERp44の機能制御を司る主たる亜鉛トランスポーターであることを突き止めた。現在、ZnT7によるERp44の機能制御機構の詳細を解明するため、野生型細胞とZnT7ノックダウン細胞における小胞体、シスゴルジ、ミディアルゴルジ、トランスゴルジの亜鉛イオン濃度を定量するための細胞イメージング実験を進めており、多くの重要な知見が得られつつある。2)の課題については、ERp44の機能制御に特に関わることが判明したZnT7にフォーカスを絞り、そのクライオ電子顕微鏡による高分解能構造解析を精力的に進めている。すでに、ZnT7を安定発現するためのヒト培養細胞を作製し、1リットルの細胞培養液から約0.3 mgの精製ZnT7を得ることに成功した。さらにZnT7をナノディスクと呼ばれる脂質二重層に再構成することに成功しており、そのネガティブ染色電顕画像を取得した結果、今後のクライオ電子顕微鏡による構造解析が十分期待できる結果であった。ZnT7の構造決定が一日も早く達成できるよう、引き続き精力的に実験を進める。

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

研究実績の欄にも記したように、投稿中であった亜鉛イオンによるERp44の構造機能制御に関する論文について、平成31年2月にNature Communicationsに掲載された。またERp44の機能制御に関わる亜鉛トランスポーターの同定についても系統的ノックダウン実験により、非常にクリアな結果が得られ、ZnT7が主たる因子であることを突き止めた。亜鉛トランスポーターの構造解析について、最大のボトルネックは構造解析に足る量の精製タンパク質を安定に得ることと考えていたが、それについてもZnT7の安定発現細胞株を構築し、またナノディスクに再構成することでZnT7の安定化を図り、ゲルろ過カラムによる精製が可能となった。さらにナノディスクに再構成したZnTについてネガティブ染色を行い、今後のクライオ電子顕微鏡による単粒子解析が可能と思われる結果が得られた。このように、国際一流雑誌に論文を発表し、また平成30年度に掲げた二つの研究課題いずれもが予定通りに進んでいるため、おおむね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

ERp44の機能制御を担う主たる因子がZnT7であることを突き止めたが、一方でZnT7によるERp44制御のメカニズムについては未だ解明できていない。一つの可能性として、ZnTファミリーによって分泌経路における局在が定められており、どのZnTがどの区画にどの程度亜鉛イオンを取り込むか厳密に制御されていることが考えられる。このことを詳細に解析するには、各区画において亜鉛濃度を正確に定量するための亜鉛特異的な高感度プローブの開発と、超解像度顕微鏡による細胞イメージングが必要である。実際、高感度亜鉛プローブを東北大学多元物質科学研究所の水上進教授との共同研究ですでに開発に至り、各ZnTノックダウン条件下での各区画における亜鉛濃度を超解像顕微鏡により解析を進めている。その結果、多くの興味深い知見が得られつつあり、ZnT7によるERp44の機能制御機構についても解明されつつある。
またZnT7の構造解析について、X線結晶構造解析のみならず、クライオ電子顕微鏡による解析にも本格的に着手しつつある。すでにヒト細胞を用いた発現精製系を構築し、ナノディスクに再構成することにより安定な素性のZnT7の調製に成功している。今後、クライオ電子顕微鏡観察のためのグリッド調製条件や測定条件を詳細に検討することにより、構造解析が達成できると考えている。また、多くの膜タンパク質で成功例のあるlipid cubic phase法を用い、ZnT7の結晶構造解析にも挑戦する。我々はすでにヒト由来カルシウムポンプの結晶構造解析を同方法で成功しており、そのノウハウを有している。ZnT7の結晶構造解析についても、本研究期間中に達成できるよう最善を尽くす。

  • 研究成果

    (35件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 3件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 9件、 招待講演 6件) 図書 (4件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] San Raffaele Scientific Institute(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      San Raffaele Scientific Institute
  • [雑誌論文] Dynamic assembly of protein disulfide isomerase in catalysis of oxidative folding2019

    • 著者名/発表者名
      Okumura Masaki、Noi Kentaro、Kanemura Shingo、Kinoshita Misaki、Saio Tomohide、Inoue Yuichi、Hikima Takaaki、Akiyama Shuji、Ogura Teru、Inaba Kenji
    • 雑誌名

      Nature Chemical Biology

      巻: 15 ページ: 499~509

    • DOI

      10.1038/s41589-019-0268-8

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Coupling effects of thiol and urea-type groups for promotion of oxidative protein folding2019

    • 著者名/発表者名
      Okada Shunsuke、Matsusaki Motonori、Arai Kenta、Hidaka Yuji、Inaba Kenji、Okumura Masaki、Muraoka Takahiro
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 55 ページ: 759~762

    • DOI

      10.1039/c8cc08657e

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Zinc regulates ERp44-dependent protein quality control in the early secretory pathway.2019

    • 著者名/発表者名
      Watanabe S., Amagai Y., Sannino S., Tempio T., Anelli T., Harayama M., Masui S., Sorrentino I., Yamada M., Sitia R, and Inaba K
    • 雑誌名

      Nature Coomunications

      巻: 10 ページ: 603

    • DOI

      10.1038/s41467-019-08429-1

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Methods to identify the substrates of thiol‐disulfide oxidoreductases2019

    • 著者名/発表者名
      Fujimoto Takushi、Inaba Kenji、Kadokura Hiroshi
    • 雑誌名

      Protein Science

      巻: 28 ページ: 30-40

    • DOI

      10.1002/pro.3530

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The protein disulfide isomerase family: from proteostasis to pathgenesis2019

    • 著者名/発表者名
      Matsusaki, M., Kanemura, S., Kinoshita, M., Lee, Y.H., Inaba, K.* and Okumura, M.
    • 雑誌名

      Biochem. Biophys. Acta. General Subject

      巻: 165 ページ: 30080-30087

    • DOI

      10.1016/j.bbagen.2019.04.003

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural basis of sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase 2b regulation via transmembrane helix interplay2019

    • 著者名/発表者名
      Inoue, M., Sakuta, N., Watanabe, S., Zhang, Y., Yoshikaie, K., Tanaka, Y., Ushioda, R., Kato, Y., Takagi, J., Tsukazaki, T., Nagata, K. and Inaba, K.
    • 雑誌名

      Cell Reports

      巻: 27 ページ: 1221-1230

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2019.03.106

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Identification of the physiological substrates of PDIp, a pancreas-specific protein-disulfide isomerase family member2018

    • 著者名/発表者名
      Fujimoto Takushi、Nakamura Orie、Saito Michiko、Tsuru Akio、Matsumoto Masaki、Kohno Kenji、Inaba Kenji、Kadokura Hiroshi
    • 雑誌名

      Journal of Biological Chemistry

      巻: 293 ページ: 18421~18433

    • DOI

      10.1074/jbc.RA118.003694

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ero1-Mediated Reoxidation of Protein Disulfide Isomerase Accelerates the Folding of Cone Snail Toxins2018

    • 著者名/発表者名
      O’Brien Henrik、Kanemura Shingo、Okumura Masaki、Baskin Robert、Bandyopadhyay Pradip、Olivera Baldomero、Ellgaard Lars、Inaba Kenji、Safavi-Hemami Helena
    • 雑誌名

      International Journal of Molecular Sciences

      巻: 19 ページ: 3418~3418

    • DOI

      10.3390/ijms19113418

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Characterization and optimization of two-chain folding pathways of insulin via native chain assembly2018

    • 著者名/発表者名
      Arai, K., Takei, T., Shinozaki, R., Noguchi, M., Fujisawa, S., Katayama, H., Moroder, M., Ando, S., Okumura, M., Inaba, K., Hojo, H. and Iwaoka, M.
    • 雑誌名

      Communications Chemistry

      巻: 1 ページ: 26

    • DOI

      10.1038/s42004-018-0024-0

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Zinc ions regulate ERp44-dependent protein quality control in the early secretory pathway2018

    • 著者名/発表者名
      Inaba, K.
    • 学会等名
      TAIPEI Tech-IMTRAM joint symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Zinc ions regulate ERp44-mediated protein quality control in the early secretory pathway2018

    • 著者名/発表者名
      Inaba, K.
    • 学会等名
      International Meeting “Proteins: from the cradle to the grave”
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Zinc ions have a new physiological role in protein quality control in the early secretory pathway2018

    • 著者名/発表者名
      Inaba, K.
    • 学会等名
      CWRU-Tohoku joint symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Molecular basis of the ERp44-Zn2+ cooperation for protein quality control in the early secretory pathway2018

    • 著者名/発表者名
      Inaba, K.
    • 学会等名
      第91回日本生化学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Structural basis of pH- and zinc-dependent multiple client recognition by ERp442018

    • 著者名/発表者名
      Watanabe, S., Amagai, Y., Sitia, R. and Inaba, K.
    • 学会等名
      第56回 日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Structural basis of Sarco/Endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase 2b regulation via transmembrane helix interplay2018

    • 著者名/発表者名
      井上 道雄, 作田 菜奈美, 渡部 聡, 田中 良樹, 潮田 亮, 加藤 幸成, 高木 淳一, 塚崎 智也, 永田 和宏 , 稲葉 謙次
    • 学会等名
      第56回 日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Identification of the zinc transporters involved in functional regulation of ERp442018

    • 著者名/発表者名
      山田 桃、天貝 佑太、渡部 聡、Sitia Roberto、稲葉 謙次
    • 学会等名
      第41回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] P5による基質認識の分子構造基盤2018

    • 著者名/発表者名
      奥村 正樹、金村 進吾、松崎元紀、木下岬、荒井 堅太、秋山 修志、稲葉 謙次
    • 学会等名
      第18回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] 酸化的フォールディングを触媒するPDIファミリー酵素と新生鎖間のインタープレー2018

    • 著者名/発表者名
      平山千尋、奥村正樹、町田幸大、野井健太郎、小椋光、今高寛晃、稲葉謙次
    • 学会等名
      第18回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] 小胞体内腔における新生鎖のジスルフィド結合形成反応の解析2018

    • 著者名/発表者名
      金村 進吾、奥村 正樹、Neil Bulleid、稲葉 謙次
    • 学会等名
      第18回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] Mechanistic basis of GPx7 and GPx8 catalytic cycles for PDI oxidation in concert with hydrogen peroxide2018

    • 著者名/発表者名
      Elza F Sofia、金村 進吾、奥村 正樹、稲葉 謙次
    • 学会等名
      第18回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] Physiological substrates of PDIp, a pancreas-specific protein disulfide isomerase family member protein2018

    • 著者名/発表者名
      Takushi Fujimoto, Orie Nakamura, Michiko Saito, Akio Tsuru, Masaki Matsumoto, Kenji Kohno, Kenji Inaba, Hiroshi Kadokura
    • 学会等名
      FASEB Science Research Conference Protein Folding in the Cell
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural basis of zinc-dependent ERp44 regulation for protein quality control in the early secretory pathway2018

    • 著者名/発表者名
      Watanabe, S., Amagai, Y., Sannino, S., Harayama, M., Masui, S., Yamada, M., Sitia, R. and Inaba, K.
    • 学会等名
      International Meeting “Proteins: from the cradle to the grave
    • 国際学会
  • [学会発表] Zinc ions control the function of ERp44 for protein quality control in the early secretory pathway2018

    • 著者名/発表者名
      Yuta Amagai, Satoshi Watanabe, Sara Sannino, Momo Yamada, Tiziana Tempio, Manami Harayama, Roberto Sitia and Kenji Inaba
    • 学会等名
      International Meeting “Proteins: from the cradle to the grave”
    • 国際学会
  • [学会発表] Elucidation of molecular mechanisms of PDI family enzymes acting on nascent chains in early-stage of translation2018

    • 著者名/発表者名
      Chihiro Hirayama, Masaki Okumura, Kodai Machida, Kentaro Noi, Teru Ogura, Hiroaki Imataka and Kenji Inaba
    • 学会等名
      International Meeting “Proteins: from the cradle to the grave”
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular mechanisms of PDI family enzymes in catalysis of oxidative folding of nascent chains2018

    • 著者名/発表者名
      平山千尋、奥村正樹、町田幸大、野井健太郎、小椋光、今高寛晃、稲葉謙次
    • 学会等名
      第41回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] 初期分泌経路内のタンパク質品質管理におけるERp44の新たな生理的機能の探索2018

    • 著者名/発表者名
      天貝佑太、稲葉謙次
    • 学会等名
      第41回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] Identification of the Zinc Transporter critical for regulation of ERp44, a key protein quality controller in the early secretory pathway2018

    • 著者名/発表者名
      Momo Yamada, Yuta Amagai, Satoshi Watanabe, Roberto Sitia, Kenji Inaba
    • 学会等名
      TAIPEI Tech-IMTRAM joint symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Mechanistic basis of hydrogen peroxide-dependent PDI family oxidation catalyzed by GPx7 and GPx82018

    • 著者名/発表者名
      Elza Firdiani Sofia, Shing Kanemura, Hiroshi Kadokura, Masaki Okumura, Kenji Inaba
    • 学会等名
      TAIPEI Tech-IMTRAM joint symposium
    • 国際学会
  • [図書] 放射光利用の手引き「細胞のタンパク質の品質を監査する仕組み」2019

    • 著者名/発表者名
      渡部 聡、稲葉 謙次
    • 総ページ数
      6
    • 出版者
      アグネ技術センター
  • [図書] 放射光利用の手引き「細胞のタンパク質の立体構造を頑強にする仕組み」2019

    • 著者名/発表者名
      奥村 正樹、稲葉 謙次
    • 総ページ数
      5
    • 出版者
      アグネ技術センター
  • [図書] Oxidative folding of proteins 2nd Edition2018

    • 著者名/発表者名
      Okumura, M., Watanabe, S. and Inaba, K.
    • 総ページ数
      25
    • 出版者
      Royal Chemical Society
  • [図書] アルツハイマー病―発症メカニズムと新規診断法・創薬・治療開発2018

    • 著者名/発表者名
      奥村 正樹、稲葉 謙次
    • 総ページ数
      11
    • 出版者
      エヌ・ティー・エス
  • [備考] 東北大学多元物質科学研究所生体分子構造研究分野publications

    • URL

      http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/inaba/html/publications1.html

  • [備考] 東北大学多元物質科学研究所プレスリリース

    • URL

      http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/news_press/20190213/

URL: 

公開日: 2019-12-27  

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