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2019 年度 実施状況報告書

イオウ代謝・呼吸システムの機能解明:ゲノム編集とエネルギー代謝解析

研究課題

研究課題/領域番号 19K07341
研究機関東北大学

研究代表者

守田 匡伸  東北大学, 医学系研究科, 講師 (10519094)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード硫黄呼吸 / エネルギー代謝 / ゲノム編集 / ミトコンドリア
研究実績の概要

ミトコンドリアにおいてシステインから合成される硫黄代謝物(パースルフィドなど)が、アミノアシルtRNA酵素の一つであるCARS2や硫化水素キノン還元酵素(sulfide-quinone reductase, SQR)によって産生・代謝され、エネルギー代謝に関与することが示唆されている(Akaike et al., Nature Commun. 2017)。これは、生物が酸素のみならず硫黄代謝物を利用してエネルギー代謝を営むことを意味している(イオウ代謝・呼吸)。この硫黄代謝の生体内における機能を分子レベルでのメカニズムを明らかにするため、CARS2、SQRの遺伝子改変マウスの作製および解析を行った。CRISPR/Casシステムを用いた精緻なゲノム編集により、パースルフィド活性のみを欠損したパースルフィド不活性化(CARS2点変異)マウス、さらにミトコンドリア移行シグナルを欠損したミトコンドリア選択的SQR欠損マウス(SQR欠損マウス)の作製に成功した。CARS2点変異マウスは胎生致死を示し、SQR欠損マウスは生後3週間以降より成長遅延を示し生後3ヶ月以内に死亡した。解析を進めたところ、これらの遺伝子改変マウスはミトコンドリアにおける硫黄代謝異常を認め、硫黄代謝・呼吸が選択的に抑制された極めてユニークな硫黄代謝不全(エネルギー代謝異常)マウスの開発に成功した。CARS2点変異マウスは胎生致死を示すので、成体での解析が困難であるが、トランスジェニックマウスによるレスキュー法を現在進めており、さらに他の硫黄代謝酵素群であるETHE1、3MST、TSTの遺伝子改変マウスの作製も完了している。これらの遺伝子改変マウスを詳細に解析することで硫黄代謝・呼吸の生体内における機能を明らかにする。

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

CARS、SQRの遺伝子改変マウスの作製に成功し、その表現型解析は順調に進んでいる。さらに他の硫黄代謝酵素、ETHE1、3MST、TSTのノックアウトマウス作製も完了し、バイオリソースの充実も進展している。パースルフィド活性を失ったCARS2点変異マウスは胎生致死を示すが、トランスジェニックマウスによるレスキュー法により成体での機能解析を行う。このトランスジェニックマウスの作製も完了し、現在、CARS2点変異マウスとの交配を進めている。

今後の研究の推進方策

既に作製した硫黄代謝酵素群の各遺伝子改変マウスの表現型解析を継続して進める。具体的には各組織についての病理標本解析、代謝産物の測定、遺伝子発現解析を行い、硫黄代謝異様に伴うミトコンドリア機能不全を分子レベルで明らかにする。成体CARS2点変異マウスの樹立は、作製済みのCARS2トランスジェニックマウスをCARS点変異マウスと交配し、さらに薬剤誘導で全身にCreを発現するROSA26CreERT2との交配を行うことにより作製する。

次年度使用額が生じた理由

当初計画を効率的、計画的に進めた結果、予定より少ない直接経費で硫黄代謝酵素群関連遺伝子改変マウスの作製を概ね達成することができた。一方で、解析すべき遺伝子改変マウスの系統の追加が生じたため、その経費を次年度分として運用することとした。その内訳としては、硫黄代謝酵素の生体内での機能解析のための実験に関する試薬や消耗品などの物品費に使用する。また、研究成果を論文にまとめ投稿するための英文校正や論文投稿費として使用する。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2019

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Mitochondrial cysteinyl-tRNA synthetase is expressed via alternative transcriptional initiation regulated by energy metabolism in yeast cells2019

    • 著者名/発表者名
      Nishimura Akira、Nasuno Ryo、Yoshikawa Yuki、Jung Minkyung、Ida Tomoaki、Matsunaga Tetsuro、Morita Masanobu、Takagi Hiroshi、Motohashi Hozumi、Akaike Takaaki
    • 雑誌名

      Journal of Biological Chemistry

      巻: 294 ページ: 13781~13788

    • DOI

      10.1074/jbc.RA119.009203

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Molecular Mechanism of Cellular Oxidative Stress Sensing by Keap12019

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Takafumi、Muramatsu Aki、Saito Ryota、Iso Tatsuro、Shibata Takahiro、Kuwata Keiko、Kawaguchi Shin-ichi、Iwawaki Takao、Adachi Saki、Suda Hiromi、Morita Masanobu、Uchida Koji、Baird Liam、Yamamoto Masayuki
    • 雑誌名

      Cell Reports

      巻: 28 ページ: 746~758.e4

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2019.06.047

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] ゲノム編集によるミトコンドリア/イオウ呼吸選択的硫化水素キノン酸化還元酵素 (SQR)欠損マウスの開発2019

    • 著者名/発表者名
      守田匡伸、井田智章、田中智弘、松永哲郎、西村明、西田基宏、 本橋ほづみ、赤池孝章
    • 学会等名
      第19回日本NO学会学術集会
  • [学会発表] ミトコンドリア・イオウ呼吸選択的硫化水素キノン酸化還元酵素 (SQR)欠損マウスの開発と機能解析2019

    • 著者名/発表者名
      守田匡伸、井田智章、田中智弘、松永哲郎、西村明、西田基宏、 本橋ほづみ、赤池孝章
    • 学会等名
      第72回日本酸化ストレス学会学術集会
  • [学会発表] 活性イオウ分子によるエネルギー代謝制御2019

    • 著者名/発表者名
      守田匡伸、井田智章、西村明、田中智弘、松永哲郎、西田基宏、 本橋ほづみ、赤池孝章
    • 学会等名
      第7回がんと代謝研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Mitochondria-specific SQR knock-out mice cause lethal impairment of sulfur respiration2019

    • 著者名/発表者名
      Masanobu Morita, Tomoaki Ida, Tomohiro Tanaka, Tetsuro Matsunaga, Akira Nishimura, Motohiro Nishida, Hozumi Motohashi, Takaaki Akaike
    • 学会等名
      第1回硫黄代謝の医学生物学に関する国際会議
    • 国際学会
  • [学会発表] ミトコンドリア選択的硫化水素キノン還元酵素(SQR)欠損マウスは致死性のイオウ呼吸不全を示す2019

    • 著者名/発表者名
      守田匡伸、井田智章、田中智弘、松永哲郎、西村明、西田基宏、 本橋ほづみ、赤池孝章
    • 学会等名
      第92回生化学学会
  • [学会発表] ゲノム編集で明らかになった活性イオウ分子によるエネルギー代謝制御2019

    • 著者名/発表者名
      守田匡伸
    • 学会等名
      実験動物セミナー第30回研究成果発表会
    • 招待講演
  • [学会発表] Cysteinyl-tRNA synthetase (CARS) contributes to sulfur respiration and protection against chronic obstructive pulmonary disease (COPD)2019

    • 著者名/発表者名
      M. Morita, T. Akaike, T. Matsunaga, T. Ida, A. Nishimura, H. Sano, T. Ichikawa, H. Sugiura, M. Ichinose , M. Motohashi
    • 学会等名
      Oxygen Radicals Gordon Research Conference
    • 国際学会

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公開日: 2021-01-27  

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