アミロイド核生成を誘起するタンパク質集合動態の解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H03224
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 茶谷 絵理 神戸大学, 理学研究科, 准教授 (00432493)
• 研究分担者: 大橋 祐美子 神戸大学, 理学研究科, 特別研究員(RPD) (10422669)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 蛋白質 / アミロイド / 中間体 / 準安定 / ミスフォールディング

研究実績の概要

アミロイド線維の核形成は、アミロイドーシスの発症を決定づける重要な初期プロセスであると考えられる。本研究では、核が出現するまでにタンパク質分子がどのように集合し構造変化を経るのかを解明するために、核形成より先に生成する準安定なタンパク質集合構造（核前駆体）を捕らえ、構造特徴、生成プロセス、およびアミロイド核構造への転移の解析を行う。さらに核前駆体を生成するタンパク質が持つ構造やアミノ酸配列の特徴、さらに外部因子により与えられる影響を検討し、核前駆体が生成するために必要な条件や核前駆体が備えるべき構造的特徴を明らかにする。これらを通して疾病が発症する直前のタンパク質分子の動態を総合的に理解することを目的とする。
初年度である令和2年度は、これまでの研究で核前駆体を見出すことのできているインスリンおよびインスリン由来ペプチド断片に加え、トランスサイレチン、タウタンパク質、Sup35などについて反応条件の探索を開始した。インスリンの核前駆体については、アミロイド線維に比べてβ構造が未発達なタンパク質集合体であることが確認されていたが、その生成過程を動的光散乱測定により追跡可能であることが分かり、解析を進めた。さらに、ヒト由来とウシ由来のインスリンは僅か3残基の違いにも関わらず、ウシインスリンでのみ核前駆体が確認されるという興味深い現象を見つけた。トランスサイレチンについては、ポリペプチド鎖を数十残基除去するとアミロイド線維形成が格段に起きやすくなることを見出した。タウタンパク質については、基本的なタンパク質の性質やアミロイド線維形成の解析を行い、核前駆体を探索するための準備を整えた。Sup35については、核前駆体になり得る構造状態として注目を集めている液液相分離状態について、詳細な特徴や形成機構の把握を進めた。

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

アミロイド線維の核形成には、タンパク質やペプチド分子が比較的ランダムに会合したような集合構造が核形成を誘起する前駆状態として考えられるが、今回新たに開始した動的光散乱法を用いたインスリンの解析では、アモルファス凝集とは異なったタンパク質集合動態が見えつつある。核前駆体として機能するタンパク質集合体の知見は少ないので、引き続き解析を進めて生成機構を明確にし、他のタンパク質の核前駆体の理解にも繋がる足掛かりにしたいと考えている。また、ウシとヒトインスリンの間に見られた核前駆体の生成の可否が大きく変わるする現象も興味深く、アミノ酸配列の特性を理解する上での重要な手掛かりになることを期待している。トランスサイレチンのアミロイド線維化でに関しても、長く謎に包まれてきた生体内での野生型トランスサイレチンのアミロイド線維化機構の解明に繋がることを期待している。

今後の研究の推進方策

これまでの結果を踏まえながら、インスリンの核前駆体を経由した核形成機構の解明およびトランスサイレチンのアミロイド核生成誘起機構の解明を進展させる。上述のようにインスリンの初期凝集は動的光散乱で追跡可能であり、タンパク質分子の集合モデルの構築が期待される。今後は小角X線散乱や超遠心分析も組み合わせながらその検証を進める予定である。またトランスサイレチンについても、断片が形成するアミロイド線維の構造特徴や性質を調べることで核形成機構を明らかにできる可能性があるので検証を進める。さらにSup35やタウタンパク質の解析環境も整いつつあるので、これらのアミロイド線維形成反応も解析し、核前駆体の確認を検討する。特にこれらのタンパク質は液液相分離状態をとりやすい性質を持ち合わせるため、核形成との関係性を調べる。以上の解析によりアミロイド核形成メカニズムに知見を提供するような様々な核形成の前駆状態を多く見出す。

研究成果

• [国際共同研究] ザガジグ大学(エジプト)
  • 国名: エジプト
  • 外国機関名: ザガジグ大学
• [雑誌論文] アミロイド線維前駆中間体の観測とそれを標的とした線維形成阻害―インスリン由来モデルペプチドとフィブリノーゲンを用いた検証― (2021)
  • 著者名/発表者名: 山本 直樹,茶谷 絵理
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 61 ページ: 236-239
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 核形成を経てアミロイド線維の生成に至るメカニズム (2021)
  • 著者名/発表者名: 茶谷 絵理
  • 雑誌名: 膜 巻: 46 ページ: 19-24
  • DOI: 10.5360/membrane.46.19
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional Assembly of Caenorhabditis elegans Cytochrome b-2 (Cecytb-2) into Phospholipid Bilayer Nanodisc with Enhanced Iron Reductase Activity. (2021)
  • 著者名/発表者名: Hamed A Abosharaf,Yuki Sakamoto,Aliaa M Radwan,Keisuke Yuzu,Mika Fujimura,Thoria Diab,Tarek M Mohamed,Eri Chatani,Tetsunari Kimura,Motonari Tsubaki
  • 雑誌名: Biomolecules 巻: 11 ページ: 96
  • DOI: 10.3390/biom11010096
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Breakdown of supersaturation barrier links protein folding to amyloid formation. (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Noji,Tatsushi Samejima,Keiichi Yamaguchi,Masatomo So,Keisuke Yuzu,Eri Chatani,Yoko Akazawa-Ogawa,Yoshihisa Hagihara,Yasushi Kawata,Kensuke Ikenaka,Hideki Mochizuki,Jozsef Kardos,Daniel E Otzen,Vittorio Bellotti,Johannes Buchner,Yuji Goto
  • 雑誌名: Communications biology 巻: 4 ページ: 120
  • DOI: 10.1038/s42003-020-01641-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Theoretical modeling for electronic structure of polyiodide species included in α-cyclodextrin (2020)
  • 著者名/発表者名: Masaki Okuda,Takato Hiramatsu,Mitsuru Yasuda,Mika Ishigaki,Yukihiro Ozaki,Michitoshi Hayashi,Keisuke Tominaga,Eri Chatani
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 124 ページ: 4089-4096
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c01749
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Exploration of insulin amyloid polymorphism using Raman spectroscopy and imaging (2020)
  • 著者名/発表者名: Mika Ishigaki,Kana Morimoto,Eri Chatani,Yukihiro Ozaki
  • 雑誌名: Biophys. J. 巻: 118 ページ: 2997-3007
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2020.04.031
  • 査読あり
• [雑誌論文] Iodine staining as a useful probe for distinguishing insulin amyloid polymorphs. (2020)
  • 著者名/発表者名: Takato Hiramatsu,Naoki Yamamoto,Seongmin Ha,Yuki Masuda,Mitsuru Yasuda,Mika Ishigaki,Keisuke Yuzu,Yukihiro Ozaki,Eri Chatani
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 10 ページ: 16741
  • DOI: 10.1038/s41598-020-73460-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] タンパク質に対する圧力研究の新展開-基本熱力学から,分子構造に基づく理解,アミロイド線維まで (2020)
  • 著者名/発表者名: 櫻井一正,茶谷絵理,後藤祐児
  • 雑誌名: 化学 巻: 75 ページ: 39-44
• [雑誌論文] Multistep Changes in Amyloid Structure Induced by Cross-Seeding on a Rugged Energy Landscape. (2020)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Yuzu,Naoki Yamamoto,Masahiro Noji,Masatomo So,Yuji Goto,Tetsushi Iwasaki,Motonari Tsubaki,Eri Chatani
  • 雑誌名: Biophys. J. 巻: 120 ページ: 284-295
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2020.12.005
  • 査読あり
• [学会発表] Single Sub-Millimeter Linear Assembly of Polystyrene Microparticles (2021)
  • 著者名/発表者名: Po-Wei. Yi,Wei-Hsiang Chiu,Tetsuhiro Kudo,Roger Bresoli-Obach,Johan Hofkens,Eri Chatani,Ryohei Yasukuni,Yoichiroh Hosokawa,Teruki Sugiyama,Shuichi Toyouchi,Hiroshi Masuhara
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Structural difference and its seed-dependent propagation manner of human/bovine insulin amyloid fibrils as detected by iodine staining (2020)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Yuzu,Naoki Yamamoto,Masahiro Noji,Masatomo So,Yuji Goto,Tetsushi Iwasaki,Eri Chatani
  • 学会等名: 第20回日本蛋白質科学会
• [学会発表] Amyloid Formation And Breakdown Of Supersaturation (2020)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Noji,Keiichi Yamaguchi,Eri Chatani,Yuji Goto
  • 学会等名: 第20回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] Thioflavin T Fluorescence Lifetime Assay Of Homogeneous Insulin Amyloid Fibrils (2020)
  • 著者名/発表者名: Akinori Oda,Tomoo Inubushi,Keisuke Yuzu,Eri Chatani,Etsuji Yoshikawa,Hiroshi Satozono
  • 学会等名: 第20回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] Optical Trapping and Assembling of Protein at Solution Surface (2020)
  • 著者名/発表者名: Po-Wei. Yi,Tetsuhiro Kudo,Eri Chatani,Ryohei Yasukuni,Yoichiroh Hosokawa,Teruki Sugiyama,Hiroshi Masuhara
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Cross-seeding of human and bovine insulin amyloid fibrils induces stepwise conformational transition via intermediate states (2020)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Yuzu,Naoki Yamamoto,Masahiro Noji,Masatomo So,Yuji Goto,Tetsushi Iwasaki,Motonari Tsubaki,Eri Chatani
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
• [学会発表] アミロイド線維形成とリン脂質二分子膜破壊との関係性の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Takayama,Kaori Mageshi,Kenichi Morigaki,Eri Chatani
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Multi-step conformational changes via intermediate states induced by cross-seeding of human and bovine insulin amyloid fibrils (2020)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Yuzu,Naoki Yamamoto,Masahiro Noji,Masatomo So,Yuji Goto,Tetsushi Iwasaki,Motonari Tsubaki,Eri Chatani
  • 学会等名: 第93回日本生化学会大会
• [学会発表] アミロイド線維形成過程におけるリン脂質二分子膜の膜破壊機構の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高山 宙輝,曲師 香緒里,茶谷 絵理
  • 学会等名: 第93回日本生化学会大会