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2022 年度 実施状況報告書

多価の電荷をもつポリリン酸類縁体が引き起こす蛋白質凝集機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 20K06580
研究機関大阪大学

研究代表者

山口 圭一  大阪大学, 大学院工学研究科, 特任講師(常勤) (90432187)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
キーワードアミロイド線維 / ポリリン酸 / 酸 / アニオン / 液-液相分離
研究実績の概要

近年、液-液相分離による膜を介さない細胞内小器官が注目されているが、アミロイド線維形成との関連については不明である。本研究では、多数のリン酸基からなるポリリン酸や核酸、ATPなど多価の電荷をもつ生体分子に注目して、アミロイド線維形成と液-液相分離との関連と多価の電荷をもつ生体高分子の生理的役割を解明することを目的とする。
これまで、申請者はパーキンソン病の原因蛋白質であるαシヌクレインのアミロイド線維形成におけるポリリン酸の役割、そして、透析アミロイド病の原因蛋白質であるβ2ミクログロブリンのアミロイド線維形成における酸や塩に含まれるアニオンの役割を解明してきた。アミロイド線維形成は酸や塩に含まれるアニオンの種類に依存して促進され、低濃度領域では電荷-電荷相互作用により、高濃度領域では選択的水和により促進されると考えられる。
現在、二相分離の実験系を構築して、液-液相分離とアミロイド線維形成との関連について検討している。その結果、液-液相分離によってアミロイド線維形成が促進される分子機構が明らかになりつつある。また、アデノシン三リン酸(ATP)の添加により、アミロイド線維形成が細胞内の濃度に匹敵する数mMで促進されることが分かった。ATPには、蛋白質の凝集体形成を促進あるいは抑制する相反する二つの性質があることが報告されている。液-液相分離とATPによるアミロイド線維形成について、多価の電荷をもつ生体分子の生理的役割について考察する。

現在までの達成度
現在までの達成度

2: おおむね順調に進展している

理由

令和2年度は、ポリリン酸によるαシヌクレインのアミロイド線維形成の促進機構に関して論文発表した(Yamaguchi, K. et al., J. Biol. Chem. 296, 100510, 2021)。令和3年度は、酸または塩を用いてβ2ミクログロブリンのアミロイド線維形成におけるアニオンの役割りについて論文発表した(Yamaguchi, K. et al., J. Biol. Chem. 297, 101286, 2021)。
現在、二相分離の実験系を構築して、液-液相分離とアミロイド線維形成との関連について検討している。位相差顕微鏡または蛍光顕微鏡を用いて、形成した液滴を観察した。また、静置あるいは超音波照射下で、アミロイド線維形成実験を行った。その結果、特に液滴の界面でアミロイド線維形成が促進されることが示唆された。また、アデノシン三リン酸(ATP)の添加により、アミロイド線維形成が細胞内の濃度に匹敵する数mMで促進された。生体内では、ATPはエネルギー通貨としての役割があり、重要な生体分子であるが、コスモトロピックなリン酸基を3つ持っており、過飽和状態が崩れることで、蛋白質凝集反応が促進されると考えられる。液-液相分離とATPによるアミロイド線維形成について、多価の電荷をもつ生体高分子の生理的役割について考察する。
また、ポリリン酸を用いて、アルツハイマー病の原因蛋白質であるタウ蛋白質のアミロイド線維形成について調べた。その結果、ポリリン酸によって、タウ蛋白質のアミロイド線維形成が著しく促進されることが分かった。タウ蛋白質には微小管と結合する領域があり、その領域がポリリン酸と結合して、アミロイド線維への構造変化を促進することが示唆された。

今後の研究の推進方策

液-液相分離に関して、ポリエチレングリコールとデキストランの二相分離系を構築して、現在、αシヌクレインのアミロイド線維形成と液-液相分離との関連について検討している。アミロイド線維形成は、液滴の界面で促進されることが示唆された。一方、αシヌクレイン以外、β2ミクログロブリン、Aβペプチド、IAPP(Islet Amyloid Polypeptide)などについても、液-液相分離によるアミロイド線維形成について調べたが、顕著な促進効果は見られなかった。興味深い事に、β2ミクログロブリンではアミロイド線維形成が抑制された。液-液相分離に含まれるポリエチレングリコールは蛋白質を安定化する効果があり、過飽和状態が崩れるとアミロイド線維形成が促進されるが、過飽和状態では蛋白質の天然構造を安定化するのかもしれない。液-液相分離の生理的役割について考察する。
また、ATPの添加により、アミロイド線維形成が細胞内の濃度に匹敵する数mMで促進された。ATPには蛋白質の凝集体形成を促進または抑制する相反する二つの性質が報告されている。アミロイド線維形成における、ポリリン酸や核酸、ATPなど多価の電荷をもつ生体分子の効果について調べ、その役割について考察する。また、タウ蛋白質のアミロイド線維形成におけるポリリン酸の役割についても検討する。一方、多価の電荷をもつ生体高分子は液-液相分離にも関与している可能性がある。これらの生体高分子の液-液相分離における役割について検討する。
一方、生体内ではリン酸とカルシウムなどの結晶が自然に形成される。このリン酸カルシウム(アパタイト)結晶は表面に多数のリン酸基があり、アミロイド線維形成のトリガーになっている可能性がある。生体内で形成される結晶性の化合物について、アミロイド線維形成の促進効果について詳細に検討する。

次年度使用額が生じた理由

論文投稿や国際学会への参加が遅れたため未使用が生じた。この未使用額は2023年度に英文校閲や論文掲載費用、または国際学会へ参加するために使用する予定である。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate interacts with alpha-synuclein and initiates its aggregation and formation of Parkinson’s disease-related fibril polymorphism2023

    • 著者名/発表者名
      Choong Chi-Jing、Aguirre Cesar、Kakuda Keita、Beck Goichi、Nakanishi Hiroki、Kimura Yasuyoshi、Shimma Shuichi、Nabekura Kei、Hideshima Makoto、Doi Junko、Yamaguchi Keiichi、et al.
    • 雑誌名

      Acta Neuropathologica

      巻: 145 ページ: 573~595

    • DOI

      10.1007/s00401-023-02555-3

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Mechanisms of polyphosphate-induced amyloid fibril formation triggered by breakdown of supersaturation2023

    • 著者名/発表者名
      Yamaguchi Keiichi、Nakajima Kichitaro、Goto Yuji
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 20 ページ: e200013

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v20.0013

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] The residual structure of acid‐denatured β2‐microglobulin is relevant to an ordered fibril morphology2022

    • 著者名/発表者名
      Tomiyama Ryosuke、So Masatomo、Yamaguchi Keiichi、Miyanoiri Yohei、Sakurai Kazumasa
    • 雑誌名

      Protein Science

      巻: 32 ページ: e4487

    • DOI

      10.1002/pro.4487

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Macromolecular crowding and supersaturation protect hemodialysis patients from the onset of dialysis-related amyloidosis2022

    • 著者名/発表者名
      Nakajima Kichitaro、Yamaguchi Keiichi、Noji Masahiro、Aguirre Cesar、Ikenaka Kensuke、Mochizuki Hideki、Zhou Lianjie、Ogi Hirotsugu、Ito Toru、Narita Ichiei、Gejyo Fumitake、Naiki Hironobu、Yamamoto Suguru、Goto Yuji
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 13 ページ: 5689

    • DOI

      10.1038/s41467-022-33247-3

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Supersaturation-Dependent Formation of Amyloid Fibrils2022

    • 著者名/発表者名
      Goto Yuji、Noji Masahiro、Nakajima Kichitaro、Yamaguchi Keiichi
    • 雑誌名

      Molecules

      巻: 27 ページ: 4588

    • DOI

      10.3390/molecules27144588

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Mechanisms of polyphosphate-induced amyloid formation2023

    • 著者名/発表者名
      Keiichi Yamaguchi
    • 学会等名
      Amyloid Symposium Munich 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] Mechanisms of polyphosphate-induced amyloid formation under ultrasonication2022

    • 著者名/発表者名
      Keiichi Yamaguchi、Kichitaro Nakajima、Yuji Goto
    • 学会等名
      Proteostasis and Disease Symposium 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] ATPに依存した蛋白質凝集機構の解明2022

    • 著者名/発表者名
      山口圭一、澤田眞弥、中島吉太郎、後藤祐児
    • 学会等名
      第9回日本アミロイドーシス学会学術集会
  • [学会発表] 強酸が促進するβ 2 ミクログロブリンのアミロイド線維形成2022

    • 著者名/発表者名
      山口圭一、蓮尾健史郎、宗正智、池中建介、望月秀樹、後藤祐児
    • 学会等名
      第22回日本蛋白質科学会年会

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公開日: 2023-12-25  

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