初期分泌経路における亜鉛恒常性維持とタンパク質恒常性維持の相関と分子構造基盤

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04758
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 稲葉 謙次 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (10423039)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2024-03-31
• キーワード: 亜鉛 / クライオ電子顕微鏡 / 細胞イメージング / タンパク質品質管理 / ケミカルバイオロジー / 超解像顕微鏡

研究実績の概要

ゴルジ体の亜鉛恒常性維持機構と分子シャペロンERp44を介したタンパク質品質管理機構の相関に関する仕事をまとめ上げ、2023年5月に論文をNature Communications誌に発表した。
令和5年度は小胞体に唯一存在する亜鉛放出トランスポーターZiP7に着目し、その構造機能解明に取り組んだ。ZiP7のノックダウン、阻害剤処理いずれにおいても小胞体内の亜鉛濃度が大きく上昇し、さらに小胞体内のレドックス環境がより還元的になることを見出した。精製タンパク質を用いた生化学実験から、小胞体内に存在する一部の酸化酵素の活性が亜鉛による負の制御を受けることを明らかにし、初期分泌経路における亜鉛とレドックスのクロストークの分子機構を解明するに至った。本成果について現在論文投稿準備中である。
さらに、ZiP7のノックダウン、阻害剤処理時における分泌タンパク質および膜表層タンパク質のプロテオーム解析にも取り組み、小胞体の劇的な亜鉛濃度上昇がタンパク質の輸送・分泌に与える影響を網羅的に解析した。その結果、幾つかの重要タンパク質の分泌が促進あるいは抑制されていることを発見し、現在その分子機構と生理的意義の解明を精力的に進めている。
並行して、シスゴルジ槽への亜鉛取り込み、および亜鉛依存シャペロンERp44の機能制御に関わるZnT7のクライオ電顕による高分解能構造解析が大きく進み、亜鉛結合状態、非結合状態、さらには外向き型、内向き型の状態など計5つの状態の構造を決定し、ZnT7による輸送機構に関する多くの重要知見を得た。特にZnT7に特徴的な長いヒスチジンリッチループがサイトゾル側から亜鉛を取り込む上で必須の役割を果たしていることを究明した。本成果についても、2023年8月に論文をNature Communications誌に発表した

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] San Rafaelle Institute(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: San Rafaelle Institute
• [国際共同研究] Umea University(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: Umea University
• [国際共同研究] Haravard Medical/University of Delaware(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Haravard Medical/University of Delaware
• [雑誌論文] Structures, Mechanisms, and Physiological Functions of Zinc Transporters in Different Biological Kingdoms (2024)
  • 著者名/発表者名: Bui Han Ba、Inaba Kenji
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 25 ページ: 3045
  • DOI: 10.3390/ijms25053045
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure of full-length ERGIC-53 in complex with MCFD2 for cargo transport (2024)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Satoshi、Kise Yoshiaki、Yonezawa Kento、Inoue Mariko、Shimizu Nobutaka、Nureki Osamu、Inaba Kenji
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 15 ページ: 2404
  • DOI: 10.1038/s41467-024-46747-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Author Correction: Zinc homeostasis governed by Golgi-resident ZnT family members regulates ERp44-mediated proteostasis at the ER-Golgi interface (2023)
  • 著者名/発表者名: Amagai Yuta、Yamada Momo、Kowada Toshiyuki、Watanabe Tomomi、Du Yuyin、Liu Rong、Naramoto Satoshi、Watanabe Satoshi、Kyozuka Junko、Anelli Tiziana、Tempio Tiziana、Sitia Roberto、Mizukami Shin、Inaba Kenji
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 2683
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39273-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Supersulphides provide airway protection in viral and chronic lung diseases (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsunaga Tetsuro, Sano Hirohito et al.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 4476
  • DOI: 10.1038/s41467-023-40182-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cryo-EM structures of human zinc transporter ZnT7 reveal the mechanism of Zn2+ uptake into the Golgi apparatus (2023)
  • 著者名/発表者名: Bui Han Ba、Watanabe Satoshi、Nomura Norimichi、Liu Kehong、Uemura Tomoko、Inoue Michio、Tsutsumi Akihisa、Fujita Hiroyuki、Kinoshita Kengo、Kato Yukinari、Iwata So、Kikkawa Masahide、Inaba Kenji
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 4770
  • DOI: 10.1038/s41467-023-40521-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The oxidative folding of nascent polypeptides provides electrons for reductive reactions in the ER (2023)
  • 著者名/発表者名: Uegaki Kaiku、Tokunaga Yuji、Inoue Michio、Takashima Seiji、Inaba Kenji、Takeuchi Koh、Ushioda Ryo、Nagata Kazuhiro
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 42 ページ: 112742
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112742
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanistic characterization of disulfide bond reduction of an ERAD substrate mediated by cooperation between ERdj5 and BiP (2023)
  • 著者名/発表者名: Cai Xiaohan、Ito Shogo、Noi Kentaro、Inoue Michio、Ushioda Ryo、Kato Yukinari、Nagata Kazuhiro、Inaba Kenji
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 299 ページ: 105274
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2023.105274
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Diselenide-bond replacement of the external disulfide bond of insulin increases its oligomerization leading to sustained activity (2023)
  • 著者名/発表者名: Arai Kenta、Okumura Masaki、Lee Young-Ho、Katayama Hidekazu、Mizutani Kenji、Lin Yuxi、Park Sam-Yong、Sawada Kaichiro、Toyoda Masao、Hojo Hironobu、Inaba Kenji、Iwaoka Michio
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 6 ページ: 258
  • DOI: 10.1038/s42004-023-01056-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] クライオ電子顕微鏡が観たカルシウムポンプの分子描像 (2023)
  • 著者名/発表者名: 稲葉 謙次
  • 雑誌名: 高分子 巻: 72 ページ: 376-378
  • 査読あり
• [雑誌論文] 新たな顕微技術が明らかにする細胞内分子動態 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井澤俊明， 稲葉謙次， 齊藤知恵子， 山本林， 関根清薫， 倉永英里奈， 野村高志， 田中元雅
  • 雑誌名: 顕微鏡 巻: 58 ページ: 66-70
  • 査読あり
• [学会発表] Cryo-EM Structures of Human Zinc Transporter ZnT7 Reveal the Mechanism of Zn2+ Uptake into the Golgi Apparatus. (2023)
  • 著者名/発表者名: Han Ba Bui, Satoshi Watanabe, Kenji Inaba
  • 学会等名: 第２回生命金属科学シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Mechanisms of calcium homeostasis in the ER and Golgi apparatus revealed by cross-scale microscopic measurements. (2023)
  • 著者名/発表者名: 稲葉 謙次
  • 学会等名: 第23回日本蛋白質科学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Mechanisms of calcium homeostasis in the ER and Golgi apparatus revealed by cross-scale microscopic measurements. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kenji Inaba
  • 学会等名: The 3rd cross-scale biology international meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 亜鉛が制御する分泌経路内タンパク質品質管理機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: 天貝 佑太, 稲葉 謙次
  • 学会等名: 第34回日本微量元素学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 稲葉 謙次 (2023)
  • 著者名/発表者名: Zinc homeostasis and proteostasis at the ER-Golgi interface.
  • 学会等名: 第96回日本生化学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Zinc homeostasis in, he ER is crucial for, proteostasis of, he, early secretory pathway (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuta Amagai, Kenji Inaba
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Cryo-EM Structures of Human Zinc Transporter ZnT7 Reveal the Mechanism of Zn2+ Uptake into the Golgi Apparatus (2023)
  • 著者名/発表者名: Han Ba Bui, Satoshi Watanabe, and Kenji Inaba
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会
• [学会発表] Cryo-EM Structures of Human Zinc Transporter ZnT7 Reveal the Mechanism of Zn2+ Uptake into the Golgi Apparatus (2023)
  • 著者名/発表者名: Han Ba Bui, Satoshi Watanabe, and Kenji Inaba
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 亜鉛依存性シャペロンERp44による基質認識・解離の分子構造基盤 (2023)
  • 著者名/発表者名: 渡部 聡、木谷美思、三宅杏美子、天貝佑太、稲葉謙次
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Mechanistic characterization of disulfide bond reduction of an ERAD substrate mediated by cooperation between ERdj5 and BiP. (2023)
  • 著者名/発表者名: Cai, X., Ito, S., Noi, K., Inoue, M., Ushioda, R., Kato, Y., Nagata, K. and Inaba, K.
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 小胞体亜鉛の蓄積が与えるレドックス恒常性への影響とその分子機構の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山本 和奏, 天貝 佑太, 寳関 淳, 稲葉 謙次
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [備考] 九州大学生体防御医学研究所トランススケール構造生命科学分野 研究室HP
  • URL: https://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/inaba/html/