活性酸素産生酵素Noxによる活性硫黄代謝リモデリング：活性硫黄リモデレースの発見

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K21496
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 赤池 孝章 東北大学, 医学系研究科, 教授 (20231798)
• 研究分担者: 住本 英樹 九州大学, 医学研究院, 教授 (30179303)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2022-03-31
• キーワード: NADPH oxidase (Nox) / Dual oxidase (Duox) / 活性硫黄 / グルタチオンポリスルフィド / 統合硫黄メタボローム

研究実績の概要

本研究では、生体内の主要な活性酸素産生酵素として知られているNADPH oxidase (Nox) による全く新規の硫黄代謝制御機構を解明し、その生理機能を明らかにすることを目的としている。
Noxファミリー分子は、ヒトでは5種類のNox (Nox1～5) と2種類のDuox (dual oxidase 1, 2)が存在する。本年度の研究では、Nox/Duoxアイソフォームを培養細胞に強制発現させて、我々が独自に開発した硫黄メタボローム解析により、活性硫黄・パースルフィドなどのすべての硫黄代謝物の網羅的プロファイリングを行った。まず、ヒト野生型Nox4およびNox4活性欠損変異体 (P437H変異-NADPH結合性欠損) を、HEK293T細胞に強制発現させ解析した結果、驚くべきことに、グルタチオントリスルフィド (GSSSG) をNADPH依存的に還元後再酸化して、各種還元型パースルフィドを生成するという事実が判明した。実際、この様な顕著な活性硫黄産生は、P437H変異体発現細胞においては認められなかった。GSSSGの消費と還元型パースルフィドの生成は、通常酸素濃度 (溶存酸素200-300μM程度存在下) で起こる反応であり、硫黄代謝物濃度を細胞容積で補正すると、100μMのGSSSGにより、ほぼ同レベルの顕著な活性硫黄・パースルフィド産生があり、このことは、Nox4の基質として、硫黄が酸素に競合して、硫黄が酸素よりも優れた基質であることを示唆している。さらに、Nox4のみならず、Nox2およびDuox1, Duox2強制発現系についても、GSSSG処置により各種還元型パースルフィドの増加が示された。これらのことから、Nox/DuoxはNADPHから受け取った電子を用いてGSSSGを還元し、さらに酸化することで硫黄を伸長・再活性化することが明らかとなり、「活性硫黄リモデリング」とも言うべき全く新規の硫黄代謝経路として機能することが示唆された。

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

Nox/Duoxの強制発現系の構築や硫黄メタボローム解析など、当初計画に沿った解析を行い目的とする研究成果を得ることができたため。

今後の研究の推進方策

研究目的に鑑みて、これまでのところ研究を遂行する上での問題はなく、順調に研究が進展している。引き続き当初計画どおりに、活性酸素産生酵素Noxによる活性硫黄代謝機構の解明に向けた研究を推進していく。

次年度使用額が生じた理由

実験実施計画等を見直し効率的に研究を行った結果、当初計画よりも少ない経費で、Nox/Duoxの強制発現系の構築や硫黄メタボローム解析等において、目的とした研究成果が得られたため。
本研究の目的であるNox/Duoxの硫黄代謝制御機構とその生理機能の解明に向けて、次年度におけるさらに詳細な分子メカニズムの解析のために使用する。

研究成果

• [雑誌論文] The pivotal role of sulfide catabolism in hypoxia tolerance (2021)
  • 著者名/発表者名: Marutani, E., Morita, M., Hirai, S., Kai S., Grange, R. M. H., Miyazaki, Y., Nagashima, F., Trager, L., Magliocca, A., Ida, T., Matsunaga, T., Ihara, H., Olenchock, B. A., Shen, X., Nishida, M., Hanaoka, K., Kevil, C. G., Xian, M., Bloch, D. B., Akaike, T., Hindle, A. G., Motohashi, H., and Ichinose, F.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: － ページ: －
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Antioxidative and anti-inflammatory actions of reactive cysteine persulfides (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Zhang, H. Tsutsuki, K. Ono, T. Akaike, T. Sawa
  • 雑誌名: Journal of Clinical Biochemistry and Nutrition 巻: 68 ページ: 5～8
  • DOI: 10.3164/jcbn.20-13
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-Precision Sulfur Metabolomics Innovated by a New Specific Probe for Trapping Reactive Sulfur Species (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Kasamatsu, T. Ida, T. Koga, K. Asada, H. Motohashi, H. Ihara, T. Akaike
  • 雑誌名: Antioxidants & Redox Signaling 巻: － ページ: －
  • DOI: 10.1089/ars.2020.8073
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] On-tissue polysulfide visualization by surface-enhanced Raman spectroscopy benefits patients with ovarian cancer to predict post-operative chemosensitivity (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Honda, T. Hishiki, S. Yamamoto, T. Yamamoto, N. Miura, A. Kubo, M. Itoh, W.-Y. Chen, M. Takano, T. Yoshikawa, T. Kasamatsu, S. Sonoda, H. Yoshizawa, S. Nakamura, Y. Itai, M. Shiota, T. Ida, T. Akaike, Y. Masugi, M. Sakamoto, T. Kato, Y. Ino, H. Yoshida, H. Tsuda, N. Hiraoka, Y. Kabe, M. Suematsu, et al.
  • 雑誌名: Redox Biology 巻: 41 ページ: 101926～101926
  • DOI: 10.1016/j.redox.2021.101926
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ATP exposure stimulates glutathione efflux as a necessary switch for NLRP3 inflammasome activation (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Zhang, H. Tsutsuki, W. Islam, K. Ono, K. Takeda, T. Akaike, T. Sawa
  • 雑誌名: Redox Biology 巻: 41 ページ: 101930～101930
  • DOI: 10.1016/j.redox.2021.101930
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measuring Reactive Sulfur Species and Thiol Oxidation States: Challenges and Cautions in Relation to Alkylation-Based Protocols (2020)
  • 著者名/発表者名: P. Nagy, E. Doka, T. Ida, T. Akaike
  • 雑誌名: Antioxidants & Redox Signaling 巻: 33 ページ: 1174～1189
  • DOI: 10.1089/ars.2020.8077
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 活性硫黄分子によるシグナル伝達と代謝制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 第１回 レドックスR&D戦略委員会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 活性硫黄分子によるシグナル伝達と代謝制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 日本農芸化学会2021年度大会
  • 招待講演
• [学会発表] 新型コロナの感染予防制御とポストコロナ時代の先進医療 (2021)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: 第94回日本細菌学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] NO・活性酸素シグナルから始まる硫黄生物学研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 赤池孝章
  • 学会等名: プラズマバイオコンソーシアム2020 年度研究会
  • 招待講演
• [図書] 活性硫黄分子種によるエネルギー代謝とタンパク質劣化防止機能 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高田剛, 松永哲郎, 赤池孝章
  • 総ページ数: 3 (25 - 27)
  • 出版者: バイオサイエンスとインダストリー
• [図書] 4. 抗酸化：活性パースルフィドによる制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高田剛, 松永哲郎, 赤池孝章
  • 総ページ数: 6 (1663 - 1668)
  • 出版者: 実験医学【食と健康を結ぶメディカルサイエンス 】
• [備考] 東北大学大学院医学系研究科環境医学分野ホームページ
  • URL: http://www.toxicosci.med.tohoku.ac.jp/index.html
• [備考] Research Mapマイポータル
  • URL: https://researchmap.jp/AkaikeT