ミトコンドリア病態解析に基づく臓器特異的ミトコンドリア異常診断法の開発

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00530
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 康 東天 九州大学, 医学研究院, 教授 (80214716)
• 研究分担者: 内海 健 九州大学, 医学研究院, 教授 (80253798)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: ミトコンドリア / TFAM / p32/C1QBP / 褐色脂肪細胞 / 血球分化 / 心不全 / リソソーム / 糖尿病

研究実績の概要

（１）代謝と疾患
野生型マウスで観察されるHigh Fat Diet （HFD）による肥満と耐糖能の低下が、TFAMを全身性に過剰発現マウスでは大幅に改善された。この表現型はTFAM過剰発現マウスの脂肪細胞を野生型マウスに移植することでほぼ再現されることから、TFAM過剰発現脂肪細胞が責任組織であることを明らかにした。TFAM過剰発現脂肪細胞を分離培養すると、褐色脂肪への分化因子を付加しなくても高効率に褐色脂肪細胞に分化し、この分化促進効果はTFAM過剰発現脂肪細胞培養上清を野生型脂肪細胞に転嫁することで再現できることから、TFAM過剰発現脂肪細胞が褐色脂肪細胞分化促進因子を分泌している事が明らかになり、この褐色脂肪細胞分化促進が肥満抑制と耐糖能改善の機構であることが示唆された。現在その分子機構を解析中である。
（２）p32KOマウス
（i) ミトコンドリア局在タンパク質p32の遺伝子KOマウスを用いて、p32がCD45-Ter119- CD31- triple-negative 骨髄細胞の赤血球、Bリンパ球への分化に必須であることを明らかにした（2020 iScience）。(ii)心筋特異的p32KOマウスの拡張性心筋症の発症は、オートファジー異常による心筋ミトコンドリア品質低下に起因していた。オー トファジーの異常はオートファゴゾーム形成ではなく、むしろリソソームの機能低下によるオートリソソーム内の分解機能異常であることを明らかにした。ｐ32分子の欠損はミトコンドリア依存性のNAD+の合成低下によるリソソーム膜状に限局したATP合成不全を引き起こし、NAD+前駆体のNMN投与はリソソーム機能を回復させた。これらの結果は心不全の進展における新しい機序と新しい治療戦略の可能性を示唆するものである（2020 EMBO J）。

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)前年度までに構築したトランスオミクス的ミトコンドリア機能評価:５台のLC-MS/MSを使い、高感度に1000分子の検出が可能なメタボロミクスの測定系は、2020年度の本研究費に基づく研究成果の多くで、活用されている。そして、ミトコンドリ細胞全体ではなく、ミトコンドリア内代謝を特異的に測定するための高速、効率的に無傷のミトコンドリアを生成する方法を開発し、細胞全体の代謝とミトコンドリア内特異的代謝を区別して測定する系を完成し、その有用性を NAD+の細胞内動態に注目することで示すことが出来た（論文作成中）。 (2）ミトコンドリア関連疾患の予防とその治療に向けた戦略的開発: （i) ミトコンドリア局在タンパク質p32の遺伝子KOマウスと免疫疾患に関しては、自己免疫性疾患である乾癬のImiquimod耳介塗布マウス実験モデルを用いて、p32KOが免疫樹状細胞の抑制を介して、乾癬の発症を強く抑制することを明らかにした（論文作成中）。 (ii)心筋特異的p32KOマウスの拡張性心筋症の発症は、オートファジー異常による心筋ミトコンドリア品質低下に起因していた。オー トファジーの異常はオートファゴゾーム形成ではなく、むしろリソソームの機能低下によるオートリソソーム内の分解機能異常であることを明らかにした。ｐ32分子の欠損はミトコンドリア依存性のNAD+の合成低下によるリソソーム膜状に限局したATP合成不全を引き起こし、NAD+前駆体のNMN投与はリソソーム機能を回復させた。これらの結果は心不全の進展における新しい機序と新しい治療戦略の可能性を示唆するものである。

今後の研究の推進方策

（１）代謝と疾患
TFAM過剰発現脂肪細胞を分離培養すると、褐色脂肪への分化因子を付加しなくても高効率に褐色脂肪細胞に分化し、この分化促進効果はTFAM過剰発現脂肪細胞培養上清を野生型脂肪細胞に転嫁することで再現できることから、TFAM過剰発現脂肪細胞が褐色脂肪細胞分化促進因子を分泌している事が明らかになり、この褐色脂肪細胞分化促進が肥満抑制と耐糖能改善の機構であることが示唆された。その分子機構を培養上清のプロテオミクスおよび細胞外商法の両面から解析する予定である。また、脂肪細胞特異的TFAM過剰発現マウスを作製し、上記のTFAMの効果を確認する予定である。さらに下記の実験の遂行を予定している。
(i)TFAM過 発現マウスと老化：全身性TFAM過剰発現マウスの健康寿命伸長や認知機能維持に関与する因子の探索のためにすでに手元にある若年と高齢のTFAM発現マウスを用いて血液や組織の網羅的メタボローム解析を行う。(ii）TFAM発現マウスとアルツハイマー病神経、骨格筋などの組織特異的TFAM発現マウスの作製し、認知機能向上がどの組織のTFAM発現が関与しているかを明らかにする。
（２）非アルコール性脂肪肝炎（NASH）とp32：血球特異的p32KOマウスにおける脂肪肝抑制機構の解明に向けて、対照マウスとして肝細胞特異的p32KOマウスを作製し、トランスクリプトーム、メタボローム、プロテオーム解析を行う。
（３）マイクロベジクルを用いた 臓器特異的ミトコンドリア機能評価診断システム構築：実臨床検査に 用可能なマイクロベジクル調整法の開発に並行して、現行分離法によるマイクロベジクルを用いて、 様々な組織特異的抗原に対する抗体を用いたフローサイトメトリー解析により多くの臓器の由来細胞同定系を構築する。

研究成果

• [雑誌論文] Mitochondrial translation deficiency impairs NAD+ -mediated lysosomal acidification. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yagi M, Toshima T, Amamoto R, Do Y, Hirai H, Setoyama D, Kang D, Uchiumi T.
  • 雑誌名: EMBO J. 巻: e105268 ページ: 1-17
  • DOI: 10.15252/embj.2020105268.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Plasma acetylcholine and nicotinic acid are correlated with focused preference for photographed females in depressed males: an economic game study. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kubo H, Setoyama D, Watabe M, Ohgidani M, Hayakawa K, Kuwano N, Sato-Kasai M, Katsuki R, Kanba S, Kang D, Kato TA.
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 11(1) ページ: 2199
  • DOI: 10.1038/s41598-020-75115-4.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Catalytically inactive Cas9 impairs DNA replication fork progression to induce focal genomic instability. (2021)
  • 著者名/発表者名: Doi G, Okada S, Yasukawa T, Sugiyama Y, Bala S, Miyazaki S, Kang D, Ito T.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res. 巻: 49(2) ページ: 954-968
  • DOI: 10.1093/nar/gkaa1241
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Within-host evolution of a Klebsiella pneumoniae clone: selected mutations associated with the alteration of outer membrane protein expression conferred multidrug resistance. (2021)
  • 著者名/発表者名: Aihara M, Nishida R, Akimoto M, Gotoh Y, Kiyosuke M, Uchiumi T, Nishioka M, Matsushima Y, Hayashi T, Kang D
  • 雑誌名: J Antimicrob Chemother 巻: 76(2) ページ: 362-369
  • DOI: 10.1093/jac/dkaa439
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparative evaluation of reagents for measuring protein S activity: possibility of harmonization (2021)
  • 著者名/発表者名: Ieko M, Hotta T, Watanabe K, Adachi T, Takeuchi S, Naito S, Yoshida M, Ohmura K, Takahashi N, Morishita E, Tsuda H, Kang D
  • 雑誌名: Int J Hematol. 巻: 113 ページ: 530-536
  • DOI: 10.1007/s12185-020-03049-8.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Genomic characteristics revealed by targeted exon sequencing of testicular germ cell tumors in Japanese men. (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto T, Shiota M, Uchiumi T, Ueda S, Tsukahara S, Toshima T, Matsumoto S, Noda N, Eto M, Kang D
  • 雑誌名: Int J Urol. 巻: 28(1) ページ: 40-46
  • DOI: 10.1111/iju.14396.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Personality classification enhances blood metabolome analysis and biotyping for major depressive disorders: two-species investigation. (2021)
  • 著者名/発表者名: Setoyama D, Yoshino A, Takamura M, Okada G, Iwata M, Tsunetomi K, Ohgidani M, Kuwano N, Yoshimoto J, Okamoto Y, Yamawaki S, Kanba S, Kang D, Kato TA.
  • 雑誌名: J Affect Disord. 巻: 15.279 ページ: 20-30
  • DOI: 10.1016/j.jad.2020.09.118. Epub 2020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mitochondrial translation inhibition triggers ATF4 activation, leading to integrated stress response but not to mitochondrial unfolded protein response (2020)
  • 著者名/発表者名: Sasaki K, Uchiumi T, Toshima T, Yagi M, Do Y, Hirai H, Igami K, Gotoh K, Kang D.
  • 雑誌名: Biosci Rep. 巻: 40(11) ページ: BSR20201289
  • DOI: 10.1042/BSR20201289.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparison of electron microscopic findings and clinical presentation in three patients with mitochondrial cardiomyopathy caused by the mitochondrial DNA mutation m (2020)
  • 著者名/発表者名: Saku T, Takashio S, Tsuruta Y, Otsuka Y, Takae M, Kiyama T, Yamamoto E, Kaikita K, Hotta T, Matsumoto S, Kang D, Tsujita K, Komohara Y.
  • 雑誌名: Med Mol Morphol. Online ahead of print. 巻: 10.1007 ページ: 33113037
  • DOI: 10.1007/s00795-020-00268-0.
  • 査読あり
• [雑誌論文] GNAO1 organizes the cytoskeletal remodeling and firing of developing neurons. (2020)
  • 著者名/発表者名: Akamine S, Okuzono S, Yamamoto H, Setoyama D, Sagata N, Ohgidani M, Kato TA, Ishitani T, Kato H, Masuda K, Matsushita Y, Ono H, Ishizaki Y, Sanefuji M, Saitsu H, Matsumoto N, Kang D, Kanba S, Nakabeppu Y, Sakai Y, Ohga S.
  • 雑誌名: FASEB J. 巻: 34(12) ページ: 16601-16621
  • DOI: 10.1096/fj.202001113R
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Racial differences in protein S Tokushima and two protein C variants as genetic risk factors for venous thromboembolism. (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuda H, Noguchi K, Oh D, Bereczky Z, Lee LH, Kang D, Dusse LMS, das G Carvalho M, Morishita E
  • 雑誌名: Res Pract Thromb Haemost. 巻: 4(8) ページ: 1295-1300
  • DOI: 10.1002/rth2.12440.
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Kynurenic acid is a potential overlapped biomarker between diagnosis and treatment response for depression from metabolome analysis. (2020)
  • 著者名/発表者名: Erabi H, Okada G, Shibasaki C, Setoyama D, Kang D, Takamura M, Yoshino A, Fuchikami M, Kurata A, Kato TA, Yamawaki S, Okamoto Y.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 10(1) ページ: 16822
  • DOI: 10.1038/s41598-020-73918-z.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mitochondrial Protein Synthesis Is Essential for Terminal Differentiation of CD45- TER119-Erythroid and Lymphoid Progenitors. (2020)
  • 著者名/発表者名: Gotoh K, Kunisaki Y, Mizuguchi S, Setoyama D, Hosokawa K, Yao H, Nakashima Y, Yagi M, Uchiumi T, Semba Y, Nogami J, Akashi K, Arai F, Kang D.
  • 雑誌名: iScience. 巻: 23(11) ページ: 101654
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101654
  • 査読あり
• [雑誌論文] New colorimetric method with bromocresol purple for estimating the redox state of human serum albumin. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro S, Ishigaki T, Ookurano H, Yoshitomi F, Hotta T, Kang D, Hokazono E, Kayamori Y.
  • 雑誌名: J Clin Biochem Nutr. 巻: 67(3) ページ: 257-262
  • DOI: 10.3164/jcbn.20-10. Epub 2020 Jul 10.
  • 査読あり
• [雑誌論文] The accessory subunit of human DNA polymerase γ is required for mitochondrial DNA maintenance and is able to stabilize the catalytic subunit. (2020)
  • 著者名/発表者名: Do Y, Matsuda S, Inatomi T, Nakada K, Yasukawa T, Kang D.
  • 雑誌名: Mitochondrion 巻: 53 ページ: 133-139
  • DOI: 10.1016/j.mito.2020.05.008.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chemical acetylation of mitochondrial transcription factor A occurs on specific lysine residues and affects its ability to change global DNA topology (2020)
  • 著者名/発表者名: Fang Y, Akimoto M, Mayanagi K, Hatano A, Matsumoto M, Matsuda S, Yasukawa T, Kang D.
  • 雑誌名: Mitochondrion. 巻: 53 ページ: 99-108
  • DOI: 10.1016/j.mito.2020.05.003.
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-throughput screen identifies 5-HT receptor as a modulator of AR and a therapeutic target for prostate cancer. (2020)
  • 著者名/発表者名: Itsumi M, Shiota M, Sekino Y, Ushijima M, Kashiwagi E, Takeuchi A, Inokuchi J, Kajioka S, Uchiumi T, Eto M.
  • 雑誌名: Prostate 巻: 80 ページ: 885-94.
  • DOI: 10.1002/pros.24022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Exosomes from TNF-alpha-treated human gingiva-derived MSCs enhance M2 macrophage polarization and inhibit periodontal bone loss (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakao Y, Fukuda T, Zhang Q, Sanui T, Shinjo T, Kou X, Chen C, Liu D, Watanabe Y, Hayashi C, Yamato H, Yotsumoto K, Tanaka U, Taketomi T, Uchiumi T, Le AD, Shi S, Nishimura F
  • 雑誌名: Acta Biomater. 巻: 122 ページ: 306-324
  • DOI: 10.1016/j.actbio.2020.12.046.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polymorphisms in androgen metabolism genes with serum testosterone levels and prognosis in androgen-deprivation therapy (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiota M, Endo S, Fujimoto N, Tsukahara S, Ushijima M, Kashiwagi E, Takeuchi A, Inokuchi J, Uchiumi T, Eto M
  • 雑誌名: Urol Oncol. 巻: 38(11) ページ: 849 e11- e18
  • DOI: 10.1016/j.urolonc.2020.06.033.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genome-wide association study of genetic variations associated with treatment failure after intravesical bacillus Calmette-Guerin therapy for non-muscle invasive bladder cancer. (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiota M, Fujimoto N, Yamamoto Y, Takeuchi A, Tatsugami K, Uchiumi T, Matsuyama H, Eto M.
  • 雑誌名: Cancer Immunol Immunother. 巻: 69(7) ページ: 1155-1163.
  • DOI: 10.1007/s00262-020-02533-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] For post-COVID-19 era: Blood biomarkers for major depressive disease，The 6th Conference of China Laboratory Medicine Technology and Application (2020)
  • 著者名/発表者名: 康東天
  • 学会等名: CCLTA 2020，Web開催
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] TFAM and p32:Functions and Disease，Taiwan Society of Mitochodnrial Research and Medicine (2020)
  • 著者名/発表者名: 康東天
  • 学会等名: TSMRM2020，Web開催
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 臨床検査におけるイノベーションとAI (2020)
  • 著者名/発表者名: 康東天
  • 学会等名: 第67回日本臨床検査医学会学術集会 Web開催，
  • 招待講演
• [学会発表] 臨床検査におけるイノベーションとAI， (2020)
  • 著者名/発表者名: 康東天
  • 学会等名: 第40回メディコピア教育講演シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 大規模医療情報の標準化への取り組みと今後の展望 (2020)
  • 著者名/発表者名: 康東天
  • 学会等名: MID-NETシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] ミトコンドリアゲノムと酸化ストレス：TFAMから見る細胞機能 (2020)
  • 著者名/発表者名: 康東天
  • 学会等名: 福岡県臨床化学会 学術検査研修会
  • 招待講演
• [学会発表] ミトコンドリアと疾患：TFAMとp32 (2020)
  • 著者名/発表者名: 康東天
  • 学会等名: 名医に学ぶセミナー Web開催
  • 招待講演