腸管上皮細胞内における鉄イオン輸送の分子機序の解明

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K05281
• 研究機関: 兵庫県立大学
• 研究代表者: 澤井 仁美 兵庫県立大学, 理学研究科, 助教 (50584851)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 細胞内鉄動態 / 鉄シャペロン / 鉄代謝

研究実績の概要

生体内の「鉄」は、呼吸により取り込まれた酸素の運搬貯蔵・エネルギー生産・遺伝子などの重要物質の合成・毒素の分解などに関与するため、必須の微量金属元素である。しかし、過剰に蓄積された鉄は活性酸素の発生源となるため、生体内の鉄濃度は厳密に制御されている。ヒトなどのほ乳類には、制御可能な鉄の排出経路がないため、鉄の吸収調節が生体内鉄濃度の維持に最も重要なステップとなる。通常、ヒトは十二指腸（小腸上部）の柔毛を形成する粘膜上皮細胞で鉄を吸収することが唯一の鉄獲得手段となっている。この細胞に取り込まれた鉄イオンは、鉄シャペロンPCBPに結合し、鉄貯蔵タンパク質フェリチンへと運ばれるか、毛細血管側に放出されて血清タンパク質に結合し血流にのって全身を巡る。このようにして、様々なタンパク質を仲介することにより反応性の高い二価鉄イオンが細胞内を安全に輸送される。これらのタンパク質の機能不全により鉄代謝のバランスが崩れると、鉄欠乏あるいは鉄過剰となり生命維持に危険をもたらすことが知られている。しかし、腸管上皮細胞内に取り込まれた鉄イオンが安全かつ効率よく輸送されるメカニズムは分子論的な理解が進んでおらず不明な点が多い。
本研究では、鉄シャペロンPCBPを中心に構造機能相関解析を進めている。PCBPは細胞質に豊富に存在するタンパク質で、当初はRNA結合タンパク質として同定されていた。近年、PCBPが細胞質中で鉄イオンを安全に輸送するための「鉄シャペロン」として機能していることが明らかになっているが、そのメカニズムは未解明であった。本年度は、ヒト由来PCBPの組換えタンパク質の調製方法の確立ならびに鉄イオンの結合特性の検討を目標とし、それらを達成することができた。今後、細胞内の鉄輸送や鉄貯蔵に関わるタンパク質との相互作用解析により、タンパク質間での鉄イオンの授受機構の解明が期待できる。

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

初年度はヒト由来PCBPの組換えタンパク質の調製方法の確立ならびに鉄イオンの結合特性の検討を目標としたが、それらを達成することができたため。

今後の研究の推進方策

今後は鉄結合型PCBPの立体構造解析により、鉄イオンの結合様式ならびに鉄イオンの結合に伴う立体構造変化を解明する。また、PCBPがDMT1から鉄イオンを受け取る分子機序やフェリチンに鉄イオンを供給するメカニズムをタンパク質間相互作用解析により明らかにする。また、明らかにした構造情報をもとに、ヒト腸管モデル細胞にPCBPの部位特異的変異体を発現させ、鉄イオンの吸収機能がどのように変化するかを評価する。これらの研究結果を統合することにより、ヒトの腸管上皮細胞に取り込まれた鉄イオンの細胞内輸送メカニズムを分子と細胞の双方向から解析する。

研究成果

• [国際共同研究] ブリストル大学/レスター大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: ブリストル大学/レスター大学
• [雑誌論文] Capacity of extracellular globins to reduce liver fibrosis via scavenging reactive oxygen species and promoting MMP-1 secretion (2022)
  • 著者名/発表者名: Hieu Vu Ngoc、Thuy Le Thi Thanh、Hai Hoang、Dat Ninh Quoc、Hoang Dinh Viet、Hanh Ngo Vinh、Phuong Dong Minh、Hoang Truong Huu、Sawai Hitomi、Shiro Yoshitsugu、Sato-Matsubara Misako、Oikawa Daisuke、Tokunaga Fuminori、Yoshizato Katsutoshi、Kawada Norifumi
  • 雑誌名: Redox Biology 巻: 52 ページ: 102286～102286
  • DOI: 10.1016/j.redox.2022.102286
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Heme controls the structural rearrangement of its sensor protein mediating the hemolytic bacterial survival (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishinaga Megumi、Sugimoto Hiroshi、Nishitani Yudai、Nagai Seina、Nagatoishi Satoru、Muraki Norifumi、Tosha Takehiko、Tsumoto Kouhei、Aono Shigetoshi、Shiro Yoshitsugu、Sawai Hitomi
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s42003-021-01987-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] XFEL Crystal Structures of Peroxidase Compound II (2021)
  • 著者名/発表者名: Kwon H., Basran J., Pathak C., Hussain M., Freeman S. L., Fielding A. J., Bailey A. J., Stefanou N., Sparkes H. A., Tosha T., Yamashita K., Hirata K., Murakami H., Ueno G., Ago H., Tono K., Yamamoto M., Sawai H., Shiro Y., Sugimoto H., Raven E. L., Moody P. C. E.
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 60 ページ: 14578～14585
  • DOI: 10.1002/anie.202103010
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Structural basis for the multifunctionality of the heme-responsive sensor protein for heme detoxification in hemolytic bacteria. (2021)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Sawai
  • 学会等名: 11th International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines (ICPP-11)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 膜タンパク質の立体構造を基盤とする腸管モデル細胞を用いた鉄イオン吸収メカニズムの解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 澤井 仁美
  • 学会等名: 生理学研究所研究会「上皮膜輸送の多様性・調和機構を基盤とする異分野融合研究の創出」
  • 招待講演
• [学会発表] 鉄イオンの吸収に関わる膜タンパク質の構造と腸管モデル細胞を用いた機能解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 澤井 仁美
  • 学会等名: 第１回トランスポーター研究会関西部会
  • 招待講演
• [学会発表] Structural insights into the multifunctionality of the heme-responsive sensor protein for detoxification in hemolytic bacteria (2021)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Sawai
  • 学会等名: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021 (Pacifichem2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 生命金属ダイナミクス (2021)
  • 著者名/発表者名: 城宜嗣、澤井仁美、當舎武彦
  • 総ページ数: 511
  • 出版者: エヌ・ティー・エス出版