生物学的相分離の制御機構

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H03199
• 研究機関: 奈良県立医科大学
• 研究代表者: 森 英一朗 奈良県立医科大学, 医学部, 准教授 (70803659)
• 研究分担者: 吉澤 拓也 立命館大学, 生命科学部, 講師 (50779056) ; 齋尾 智英 徳島大学, 先端酵素学研究所, 教授 (80740802) ; 菊池 壮太郎 奈良県立医科大学, 医学部, 助教 (90866386)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 天然変性タンパク質 / 生物学的相分離 / 液-液相分離 / LLPS / 低複雑性配列 / LCドメイン / 中間径フィラメント / cross-β polymer

研究実績の概要

心筋症は、心臓の壁を構成する筋肉の構造と機能が障害される進行性の疾患であり、その多くは原因が不明である。一部の遺伝性心筋症の患者の中に、中間径フィラメントの一種であるDesmin遺伝子に異常を有する場合がある。Desminは、筋原線維の構造形成において重要な中間径フィラメントの蛋白質の 1 種である。また、Desminのみならず、神経特異的に発現している中間径フィラメントであるNeurofilamentsの遺伝子異常からCharcot-Marie-Tooth病やParkinson病等を引き起こすことからも、中間径フィラメントの総合的な理解が必要である。中間径フィラメントは、3つのドメイン（Head、Rod、Tail）に分類される。中央に位置するRodドメインはαヘリックス構造を有し、HeadドメインとTailドメインはLC（low-complexity；低複雑性）配列である。Desmin遺伝子異常では、構造を持つRodドメインのみならず、LC配列であるHeadドメインやTailドメインでも遺伝子変異の報告がある。よって、DesminのHeadドメインの構造解析を行うことで、Desmin変異による心筋症・ミオパチーの病態発症機序の分子構造レベルでの理解につながることが期待される。2種のタンパク質を結合させるインテイン反応の技術を中間径フィラメントに適応し、Headドメインのみを部分標識した上で固体NMR（solid state nuclear magnetic resonance：固体核磁気共鳴）法を用いてHeadドメインの構造解明を行った。結果、中間径フィラメントのHeadドメインがcross-βポリマーを形成していることが明らかとなった（PNAS 2021）。

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

本研究課題により、以下の論文（10報）を発表した。
1) Iwasa N, et al. Front Cell Neurosci, in press. 2) Zhou X, et al. Proc Natl Acad Sci U S A 2021; 118(8): e2022121118. 3) Matsubayashi M, et al. FASEB J 2021; 35(1): e21262. 4) Shiota T, et al. bioRxiv 2020. doi: 10.1101/2020.10.14.338566 (preprint) 5) Kinugawa K, et al. bioRxiv 2020. doi: 10.1101/2020.09.02.279380 (preprint) 6) Ozawa S, et al. J Biol Chem 2020; 295(47): 16002-16012. 7) Smits LM, et al. Cell Tissue Res 2020; 382(3): 463-476. 8) Ito SS, et al. J Biol Chem 2020; 295(37): 12946-12961. 9) Okamura K, et al. Sci Rep 2020; 10(1): 11748. 10) Eura N, et al. Front Neurosci 2020; 14: 538.

今後の研究の推進方策

細胞の中では、タンパク質を含む多くの分子が非常に濃度の高い夾雑環境に存在している。このような条件を試験管内で再現し、その条件での分子の挙動を計測し、相分離制御の機序を明らかにする。具体的には、LCドメインによるcross-βポリマーの形成を、ヒドロゲル結合法や液滴形成による濁度計測法に加え、等温滴定型熱量測定法（ITC）、高速原子間力顕微鏡（HS-AFM）、分析用超遠心法（AUC）、核磁気共鳴法（NMR：固体・溶液）、X線小角散乱法（SAXS）、中性子小角散乱法（SANS）等に、適切な同位体ラベル法やインテイン反応、分子動態計算法（MD）を組合せて分子動態の解析に取り組む。また、相分離抑制シャペロンや相分離破綻ペプチドを組合せることで、制御と破綻の関連性についても検討を進める。また、毒性ポリペプチドによるオートファジーの誘導が非常に速いことが明らかになり、既知の経路との比較を行うことで、相分離を介したオートファジー制御の機序を解明に取り組む。

研究成果

• [国際共同研究] UT Southwestern Medical Center/Houston University/University of California San Diego(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: UT Southwestern Medical Center/Houston University/University of California San Diego
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] University of Luxembourg(ルクセンブルク)
  • 国名: ルクセンブルク
  • 外国機関名: University of Luxembourg
• [雑誌論文] Gene expression profiles of human cerebral organoids identify PPAR pathway and PKM2 as key markers for oxygen-glucose deprivation and reoxygenation. (2021)
  • 著者名/発表者名: Naoki Iwasa, et al.
  • 雑誌名: Frontiers in Cellular Neuroscience 巻: - ページ: in press
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Transiently structured head domains control intermediate filament assembly (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhou Xiaoming、Lin Yi、Kato Masato、Mori Eiichiro、Liszczak Glen、Sutherland Lillian、Sysoev Vasiliy O.、Murray Dylan T.、Tycko Robert、McKnight Steven L.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 ページ: e2022121118
  • DOI: 10.1073/pnas.2022121118
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 27‐Hydroxycholesterol regulates human SLC22A12 gene expression through estrogen receptor action (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsubayashi Masaya, et al.
  • 雑誌名: The FASEB Journal 巻: 35 ページ: -
  • DOI: 10.1096/fj.202002077R
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] C9orf72- derived proline:arginine poly-dipeptides disturb cytoskeletal architecture (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiota Tomo、Nagata Riko、Kikuchi Sotaro、Nanaura Hitoki、Matsubayashi Masaya、Nakanishi Mari、Kobashigawa Shinko、Nagayama Kazuaki、Sugie Kazuma、Yamashiro Yoshito、Mori Eiichiro
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1101/2020.10.14.338566
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparative analysis of human brain organoids of brainstem and midbrain at single-cell resolution (2020)
  • 著者名/発表者名: Kinugawa Kaoru、Luginbuhl Joachim、Matsui Takeshi K.、Eura Nobuyuki、Sakaguchi Yoshihiko M.、Shin Jay W、Sugie Kazuma、Schwamborn Jens C.、Mori Eiichiro
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1101/2020.09.02.279380
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Proteolytic cleavage of Podocin by Matriptase exacerbates podocyte injury (2020)
  • 著者名/発表者名: Ozawa Shota、Matsubayashi Masaya、Nanaura Hitoki、Yanagita Motoko、Mori Kiyoshi、Asanuma Katsuhiko、Kajiwara Nobuyuki、Hayashi Kazuyuki、Ohashi Hiroshi、Kasahara Masato、Yokoi Hideki、Kataoka Hiroaki、Mori Eiichiro、Nakagawa Takahiko
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 295 ページ: 16002～16012
  • DOI: 10.1074/jbc.RA120.013721
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-cell transcriptomics reveals multiple neuronal cell types in human midbrain-specific organoids (2020)
  • 著者名/発表者名: Smits Lisa M.、Magni Stefano、Kinugawa Kaoru、Grzyb Kamil、Luginbuhl Joachim、Sabate-Soler Sonia、Bolognin Silvia、Shin Jay W.、Mori Eiichiro、Skupin Alexander、Schwamborn Jens C.
  • 雑誌名: Cell and Tissue Research 巻: 382 ページ: 463～476
  • DOI: 10.1007/s00441-020-03249-y
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Inhibition of the ATR kinase enhances 5-FU sensitivity independently of nonhomologous end-joining and homologous recombination repair pathways (2020)
  • 著者名/発表者名: Ito Soichiro S.、Nakagawa Yosuke、Matsubayashi Masaya、Sakaguchi Yoshihiko M.、Kobashigawa Shinko、Matsui Takeshi K.、Nanaura Hitoki、Nakanishi Mari、Kitayoshi Fumika、Kikuchi Sotaro、Kajihara Atsuhisa、Tamaki Shigehiro、Sugie Kazuma、Kashino Genro、Takahashi Akihisa、Hasegawa Masatoshi、Mori Eiichiro、Kirita Tadaaki
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 295 ページ: 12946～12961
  • DOI: 10.1074/jbc.RA120.013726
  • 査読あり
• [雑誌論文] RT-qPCR analyses on the osteogenic differentiation from human iPS cells: an investigation of reference genes (2020)
  • 著者名/発表者名: Okamura Kensuke、Inagaki Yusuke、Matsui Takeshi K.、Matsubayashi Masaya、Komeda Tomoya、Ogawa Munehiro、Mori Eiichiro、Tanaka Yasuhito
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41598-020-68752-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Brainstem Organoids From Human Pluripotent Stem Cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Eura Nobuyuki, et al.
  • 雑誌名: Frontiers in Neuroscience 巻: 14 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fnins.2020.00538
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 相分離メガネで見る分子の「密」. (2021)
  • 著者名/発表者名: 森 英一朗.
  • 学会等名: 39th Scienc-ome
  • 招待講演
• [学会発表] C9orf72-derived PR poly-dipeptides compromise phase separation of low-complexity protein sequences and nucleocytoplasmic transport. (2020)
  • 著者名/発表者名: Eiichiro Mori.
  • 学会等名: 第20回日本蛋白質科学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Toxic PR poly-dipeptides encoded by the C9orf72 repeat expansion alter actin dynamics. (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomo Shiota, Hitoki Nanaura, Eiichiro Mori, Kazuma Sugie.
  • 学会等名: 第61回日本神経学会学術大会
• [学会発表] Oxygen-glucose deprivation and reperfusion compromises lipid metabolism in human cerebral organoids. (2020)
  • 著者名/発表者名: Naoki Iwasa，Takeshi K. Matsui，Naohiko Iguchi，Tomo Shiota，Nobuyuki Eura，Kozue Saito，Eiichiro Mori， Kazuma Sugie.
  • 学会等名: 第61回日本神経学会学術大会
• [学会発表] Single-cell RNA-sequencing analysis on human brainstem organoids. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Kinugawa, Takeshi K. Matsui, Nobuyuki Eura, Hitoki Nanaura, Tomo Shiota, Naohiko Iguchi, Takao Kiriyama, Eiichiro Mori, Kazuma Sugie.
  • 学会等名: 第61回日本神経学会学術大会
• [学会発表] Brainstem organoids from human pluripotent stem cells accommodate multiple types of cell population. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Eura, Takeshi K. Matsui, Hitoki Nanaura, Tomo Shiota, Kaoru Kinugawa, Naohiko Iguchi, Takao Kiriyama, Eiichiro Mori, Kazuma Sugie.
  • 学会等名: 第61回日本神経学会学術大会
• [学会発表] C9orf72-derived PR poly-dipeptides target Kap beta-2 through NLS binding site and dysregulate LLPS. (2020)
  • 著者名/発表者名: Hitoki Nanaura，Tomo Shiota，Eiichiro Mori，Kazuma Sugie.
  • 学会等名: 第61回日本神経学会学術大会
• [学会発表] Non-neural cells induced in human cerebral organoids. (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeshi K. Matsui, Naohiko Iguchi, Kaoru Kinugawa, Eiichiro Mori, Kazuma Sugie.
  • 学会等名: 第61回日本神経学会学術大会
• [学会発表] C9orf72-derived PR poly-dipeptides compromise phase separation of low-complexity protein sequences. (2020)
  • 著者名/発表者名: Eiichiro Mori，Hitoki Nanaura，Tomo Shiota，Kazuma Sugie.
  • 学会等名: 第61回日本神経学会学術大会
• [学会発表] 過剰自己貪食を伴うX 連鎖性ミオパチー（XMEA）の全国実態調査 Clinical features of X-linked myopathy with excessive autophagy (XMEA) in Japan: A nationwide survey. (2020)
  • 著者名/発表者名: 杉江 和馬, 小牧 宏文, 倉重 毅志, 大熊 彩, 江浦 信之, 塩田 智, 井口 直彦, 松井 健, 阿部 達哉, 形岡 博史, 森 英一朗, 埜中 征哉, 西野 一三.
  • 学会等名: 第61回日本神経学会学術大会
• [学会発表] 生物学的相分離の制御と破綻. (2020)
  • 著者名/発表者名: 森 英一朗.
  • 学会等名: 分子夾雑の生命化学：第1回東海地区シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Biological phase separation: Going beyond “classical molecular biology” (2AW-17). (2020)
  • 著者名/発表者名: Eiichiro Mori, Akira Matsuura.
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 生物学的相分離制御因子の阻害機構. (2020)
  • 著者名/発表者名: 森 英一朗.
  • 学会等名: Chem for研究会（CCPC: Chemistry for Complex Processes in Cells）
  • 招待講演
• [図書] 相分離生物学の全貌（現代化学増刊46) (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤 昌人、森 英一朗（編：白木 賢太郎）
  • 総ページ数: 400
  • 出版者: 東京化学同人
  • ISBN: 9784807913466
• [備考] 奈良県立医科大学 未来基礎医学
  • URL: https://www.mirai-nmu.com/