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

2020 年度 実施状況報告書

• 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。これらの遺伝子改変マウスの解析を進めたところ、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、薬剤投与による時期特的および組織特異的な硫黄代謝不全の解析を行う予定である。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)

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。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。さらに亜硫酸を硫酸に酸化する酵素、Suox（sulfite oxidase）のゲノム編集マウスの作成にも成功し、SuoxホモKOマウスを得るべく、Suoxヘテロマウス同士の交配を現在進めている。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、Creマウス交配の組合せにより、時期特異的、組織特異的な硫黄代謝の機能解析を行う予定である。

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、硫黄代謝異常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については、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、さらに様々なCreマウスとの交配により、時期特異的、組織特異的な硫黄代謝の機能解析を網羅的に行う。

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

• [雑誌論文] Tim4 recognizes carbon nanotubes and mediates phagocytosis leading to granuloma formation (2021)
  • 著者名/発表者名: Omori S, Tsugita M, Hoshikawa Y, Morita M, Ito F, Yamaguchi SI, Xie Q, Noyori O, Yamaguchi T, Takada A, Saitoh T, Toyokuni S, Akiba H, Nagata S, Kinoshita K, Nakayama M
  • 雑誌名: Cell reports 巻: 34 ページ: -
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.108734.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Production of IL-17A at innate immune phase leads to decreased Th1 immune response and attenuated host defense against infection with Cryptococcus deneoformans (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato K, Yamamoto H, Nomura T, Kasamatsu J, Miyasaka T, Tanno D, Matsumoto I, Kagesawa T, Miyahara A, Zong T, Oniyama A, Kawamura K, Yokoyama R, Kitai Y, Ishizuka S, Kanno E, Tanno H, Suda H, Morita M, Yamamoto M, Iwakura Y, Ishii K, Kawakami K
  • 雑誌名: The Journal of Immunology 巻: 205 ページ: 686-698
  • DOI: 10.4049/jimmunol.1901238.
  • 査読あり
• [雑誌論文] The establishment of a novel high-throughput screening system using RNA-guided genome editing to identify chemicals that suppress aldosterone synthase expression (2020)
  • 著者名/発表者名: Ito R, Morita M, Nakano T, Sato I, Yokoyama A, Sugawara A
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun 巻: 534 ページ: 672-679
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.11.020.
  • 査読あり
• [学会発表] 酵母におけるsulfide:quinone oxidoreductase を介したエネルギー代謝による寿命制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 守田匡伸、西村明、井田智章、ジョンミンギョン、松永哲郎、高田剛、本橋ほづみ、赤池孝章
  • 学会等名: 第94回日本細菌学会総会
• [学会発表] 硫化水素キノン酸化還元酵素 (SQR)を介した 超硫黄分子による種横断的なミトコンドリア硫黄呼吸 (2020)
  • 著者名/発表者名: 守田匡伸、西村明、井田智章、松永哲郎、高田剛、ジョンミンギョン、田中智弘、 西田基宏、本橋ほづみ、赤池孝章
  • 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] 活性硫黄分子によるインフルエンザウイルス肺炎の予防・治療法の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 守田匡伸、滝田克也、佐野寛仁、杉浦久敏、市川朋宏、沼倉忠久、井田智章、 山田充啓、京極自彦、松永哲郎、本橋ほづみ、赤池孝章
  • 学会等名: 第31回生体防御学会学術総会