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2021 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 – 2023-03-31
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進行中である。3MST、TSTは隣接した遺伝子であるため、それぞれの単独KOマウスを交配することでダブルKOマウスを作製するのは大変に困難であるが、CRISPR/Cas9システムを用いたゲノム編集を行うことで3MST:TSTダブルKOマウスを樹立することに成功した。

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。各種硫黄代謝酵素遺伝子改変マウスの硫黄代謝を解析することで生体内における硫黄代謝動態の解明が期待される。

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 2021

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 4件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (4件)

  • [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 expression2021

    • 著者名/発表者名
      Ito Ryo、Morita Masanobu、Nakano Taichi、Sato Ikuko、Yokoyama Atsushi、Sugawara Akira
    • 雑誌名

      Biochemical and Biophysical Research Communications

      巻: 534 ページ: 672~679

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2020.11.020

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Sulfide catabolism ameliorates hypoxic brain injury2021

    • 著者名/発表者名
      Marutani Eizo、Morita Masanobu et.al.,
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 12 ページ: -

    • DOI

      10.1038/s41467-021-23363-x

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Tim4 recognizes carbon nanotubes and mediates phagocytosis leading to granuloma formation2021

    • 著者名/発表者名
      Omori Satoshi、Tsugita Misato、Hoshikawa Yasuto、Morita Masanobu、Ito Fumiya、Yamaguchi Shin-Ichiro、Xie Qilin、Noyori Osamu、Yamaguchi Tomoya、Takada Ayato、Saitoh Tatsuya、Toyokuni Shinya、Akiba Hisaya、Nagata Shigekazu、Kinoshita Kengo、Nakayama Masafumi
    • 雑誌名

      Cell Reports

      巻: 34 ページ: 108734~108734

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2021.108734

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Heparan sulfate promotes differentiation of white adipocytes to maintain insulin sensitivity and glucose homeostasis2021

    • 著者名/発表者名
      Matsuzawa Takuro、Morita Masanobu、Shimane Ai、Otsuka Rina、Mei Yu、Irie Fumitoshi、Yamaguchi Yu、Yanai Kazuhiko、Yoshikawa Takeo
    • 雑誌名

      Journal of Biological Chemistry

      巻: 297 ページ: 101006~101006

    • DOI

      10.1016/j.jbc.2021.101006

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Methods in sulfide and persulfide research2021

    • 著者名/発表者名
      Takata Tsuyoshi、Jung Minkyung、Matsunaga Tetsuro、Ida Tomoaki、Morita Masanobu、Motohashi Hozumi、Shen Xinggui、Kevil Christopher G.、Fukuto Jon M.、Akaike Takaaki
    • 雑誌名

      Nitric Oxide

      巻: 116 ページ: 47~64

    • DOI

      10.1016/j.niox.2021.09.002

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] T細胞受容体 (TCR)/CD3複合体を標的とした超硫黄分子による免疫応答制御2021

    • 著者名/発表者名
      守田匡伸、山田充啓、佐々木優作、井田智章、 松永哲郎、高田剛、渡部聡、稲葉謙次、石井直人、杉浦久敏、 本橋ほづみ、赤池孝章
    • 学会等名
      第94回日本生化学会大会
  • [学会発表] Longevity is dependent on sulfide:quinone oxidoreductase mediated energy metabolism in fission yeast2021

    • 著者名/発表者名
      Masanobu Morita, Akira Nishimura, Tomoaki Ida, Minkyung Jung, Tetsuro Matsunaga, Tsuyoshi Takata, Hozumi Motohashi, Takaaki Akaike
    • 学会等名
      第94回日本細菌学会総会
  • [学会発表] T細胞受容体シグナル(TCR)伝達を介した超硫黄分子による免疫応答制御2021

    • 著者名/発表者名
      守田匡伸、山田充啓、佐々木優作、井田智章、 松永哲郎、高田剛、渡部聡、稲葉謙次、石井直人、杉浦久敏、 本橋ほづみ、赤池孝章
    • 学会等名
      第32回生体防御学会
  • [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2021

    • 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 ミンキョン 、田中 智弘 、西田 基宏 、本橋 ほづみ 、赤池 孝章
    • 学会等名
      第74回日本酸化ストレス学会/第21回日本NO学会 合同学術集会

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公開日: 2022-12-28  

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