多様なセラミドによる生体バリア形成

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H04986
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 木原 章雄 北海道大学, 薬学研究院, 教授 (50333620)
• 研究期間 (年度): 2022-04-27 – 2027-03-31
• キーワード: セラミド / 脂質 / バリア形成 / スフィンゴ脂質 / 質量分析

研究実績の概要

ヒト角質層に1,581分子種のセラミドが存在することを見出し，角質層セラミドの全体像の解明に至った。SPTLC3とSPTssBを含むSPT複合体がC20以上の長鎖塩基の産生に関わることを明らかにした。結合型セラミドの分子実体について，in vitroの解析からエポキシエノン型アシルセラミドがシステインと安定な結合体を形成することを見出した。
三つの異なった魚鱗癬（IKSHD症候群，常染色体潜性先天性魚鱗癬，シェーグレン・ラルソン症候群）の患者の角質層のセラミドプロファイリングを行い，アシルセラミドの量の減少が魚鱗癬発症の原因となっていることを示唆した。魚鱗癬原因遺伝子LIPNとそのファミリー遺伝子（LIPK，LIPM）を欠損させた三重KOケラチノサイトおよびLipm KOマウスの表皮のセラミド組成を調べ，アシルセラミド量が減少していることを見出した。アシルセラミドの口腔バリア形成に関連して， Elovl1のコンディショナルKOマウスの舌と食道の形態を調べ，舌粘膜上皮の角化亢進と食道粘膜上皮の角化層の平滑化を見出した。
α酸化が神経絶縁バリア機能に与える影響を調べるため，脂肪酸α酸化において重複した役割をもつアシルCoAリアーゼ（Hacl1，Hacl2）の二重欠損マウスを作成した。
スフィンガジエン型のセラミド，モノヘキソシルセラミド，サルファチドはいずれもFads3 KOマウスで消失した。
ELOVL4の顕性変異は魚鱗癬を伴う脊髄小脳変性症34型を引き起こす。これらの変異がELOVL4が伸長する炭素鎖長に影響を与え，結果としてセラミドの鎖長を低下させることを明らかにした。
フィトスフィンゴシン型とスフィンゴシン型のセラミドを産生する二機能酵素DEGS2が長い脂肪酸を含有する基質に対して選択的にフィトスフィンゴシン型セラミドへ変換することを見出した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

交付申請書に記載した内容はほぼ全て予定通り行った。これらの解析によって，1. ヒト角質層セラミドの全容と長鎖塩基鎖長の多様性創出機構，2. 結合型セラミドの分子実体，3. 三つの異なるタイプの魚鱗癬の患者の角質層セラミド組成，4. 口腔バリア形成におけるアシルセラミドの役割，5. アルファ酸化の生理機能を解明するためのモデルマウス，6. 脳のスフィンガジエン型セラミド／スフィンゴ脂質産生におけるFADS3の役割，について解明／作成または解明の手がかりを得た。
交付申請書に記載した内容以上に進捗した結果としては，魚鱗癬症候群の原因遺伝子ELOVL4の顕性変異が引き起こす脊髄小脳変性症34型の分子機構の解明，フィトスフィンゴシン型／スフィンゴシン型セラミドを産生する二機能酵素DEGS2の２つの活性（水酸化酵素活性／不飽和化酵素活性）を規定する基質の脂肪酸鎖長の違いの解明が挙げられる。
以上のことから「当初の計画以上に進展している」とした。

今後の研究の推進方策

長鎖塩基多様性の創出におけるセリンパルミトイルトランスフェラーゼについてはSPTLC3が欠損したヒトケラチノサイトおよびSptlc3 KOマウスを用いて調べる。本年度見出したシステインと結合した結合型セラミドについては従来型の結合型セラミドとの存在割合を調べる。魚鱗癬患者でのセラミドプロファイリングについては他の魚鱗癬のタイプについても実施していく。口腔での透過性バリア形成に関しては，アシルセラミドと結合型セラミドの産生に関わる遺伝子群が口腔で発現しているかを調べる。シェーグレン・ラルソン症候群の発症の原因となるアシルセラミド量の低下に関しては，その分子機構についてセラミド分解経路中間体のヘキサデセナールの関与を検証する。脂肪酸α酸化の生理機能に関しては，Hacl2 KOとHacl1 Hacl2二重KOマウスの解析を行う。スフィンガジエン型セラミドの神経系における役割については，Fads3 KOマウスの解析を行う。

研究成果

• [国際共同研究] University of California San Diego(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of California San Diego
• [国際共同研究] Demiroglu Bilim University(トルコ)
  • 国名: トルコ
  • 外国機関名: Demiroglu Bilim University
• [雑誌論文] Incomplete elongation of ultra-long-chain polyunsaturated acyl-CoAs by the fatty acid elongase ELOVL4 in spinocerebellar ataxia type 34 (2023)
  • 著者名/発表者名: Tamura Yuka, Sassa Takayuki, Nishizawa Takumi, Kihara Akio
  • 雑誌名: Molecular and Cellular Biology 巻: 43 ページ: 85～101
  • DOI: 10.1080/10985549.2023.2169563
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Bifunctional DEGS2 has higher hydroxylase activity toward substrates with very-long-chain fatty acids in the production of phytosphingosine-ceramides (2023)
  • 著者名/発表者名: Ota Ai, Morita Hiroya, Naganuma Tatsuro, Miyamoto Masatoshi, Jojima Keisuke, Nojiri Koki, Matsuda Junko, Kihara Akio
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: - ページ: 104603～104603
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2023.104603
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An ERAD‐independent role for rhomboid pseudoprotease Dfm1 in mediating sphingolipid homeostasis (2022)
  • 著者名/発表者名: Bhaduri Satarupa, Aguayo Analine, Ohno Yusuke, Proietto Marco, Jung Jasmine, Wang Isabel, Kandel Rachel, Singh Narinderbir, Ibrahim Ikran, Fulzele Amit, Bennett Eric J, Kihara Akio, Neal Sonya E
  • 雑誌名: The EMBO Journal 巻: 42 ページ: e112275～e112275
  • DOI: 10.15252/embj.2022112275
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ceramide analysis in combination with genetic testing may provide a precise diagnosis for self-healing collodion babies (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeichi Takuya, Ohno Yusuke, Tanahashi Kana, Ito Yasutoshi, Shiraishi Ken, Utsunomiya Ryo, Yoshida Satoshi, Ikeda Kenta, Nomura Hayato, Morizane Shin, Sayama Koji, Ogi Tomoo, Muro Yoshinao, Kihara Akio, Akiyama Masashi
  • 雑誌名: Journal of Lipid Research 巻: 63 ページ: 100308～100308
  • DOI: 10.1016/j.jlr.2022.100308
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hypomyelinating spastic dyskinesia and ichthyosis caused by a homozygous splice site mutation leading to exon skipping in ELOVL1 (2022)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Taiko, Mercan Sevcan, Sassa Takayuki, Akcapinar Gunseli Bayram, Yararbas Kanay, Susgun Seda, Iseri Sibel Aylin Ugur, Kihara Akio, Akcakaya Nihan Hande
  • 雑誌名: Brain and Development 巻: 44 ページ: 391～400
  • DOI: 10.1016/j.braindev.2022.03.003
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Whole picture of human stratum corneum ceramides, including the chain-length diversity of long-chain bases (2022)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Madoka, Ohno Yusuke, Kihara Akio
  • 雑誌名: Journal of Lipid Research 巻: 63 ページ: 100235～100235
  • DOI: 10.1016/j.jlr.2022.100235
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impaired production of skin barrier lipid acylceramides and abnormal localization of PNPLA1 due to ichthyosis-causing mutations in PNPLA1 (2022)
  • 著者名/発表者名: Nohara Tomohiro, Ohno Yusuke, Kihara Akio
  • 雑誌名: Journal of Dermatological Science 巻: 107 ページ: 89～94
  • DOI: 10.1016/j.jdermsci.2022.07.008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ceramide profiling of stratum corneum in Sjogren-Larsson syndrome (2022)
  • 著者名/発表者名: Arai Ayami, Takeichi Takuya, Wakamoto Hiroyuki, Sassa Takayuki, Ito Yasutoshi, Murase Yuya, Ogi Tomoo, Akiyama Masashi, Kihara Akio
  • 雑誌名: Journal of Dermatological Science 巻: 107 ページ: 114～122
  • DOI: 10.1016/j.jdermsci.2022.08.003
  • 査読あり
• [学会発表] LIPN変異による魚鱗癬発症メカニズムの解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 白井綜, 城島啓佑, 大野祐介, 木原章雄
  • 学会等名: 日本薬学会北海道支部149回例会
• [学会発表] 表皮におけるフィトセラミドの産生機構とDEGS2の基質特異性の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森田洋哉, 太田愛, 野尻光希, 城島啓佑, 木原章雄
  • 学会等名: 日本薬学会北海道支部149回例会
• [学会発表] LC-MS/MSを用いたターゲットリピドミクスによるヒト角質層セラミド分子種の包括的解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大野祐介, 鈴木まどか, 川名桃子, 木原章雄
  • 学会等名: 第64回日本脂質生化学会
• [学会発表] 脂肪酸伸長酵素ELOVLにより産生される極長鎖脂肪酸の多様な機能 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐々貴之, 木原章雄
  • 学会等名: 第43回生体膜と薬物の相互作用シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 2-水酸化スフィンゴ脂質から奇数鎖スフィンゴ脂質を生み出すα酸化の分子機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 毛利圭佑, 永沼達郎, 木原章雄
  • 学会等名: 第15回セラミド研究会学術集会，第16回スフィンゴテラピィ研究会合同年会
• [学会発表] 表皮フィトセラミド産生におけるDEGS2の寄与と水酸化・不飽和化の二機能活性における基質特異性の違い (2022)
  • 著者名/発表者名: 森田洋哉, 太田愛, 宮本政宗, 城島啓佑, 野尻光希, 永沼達郎, 松田純子, 木原章雄
  • 学会等名: 第15回セラミド研究会学術集会，第16回スフィンゴテラピィ研究会合同年会
• [学会発表] セラミド不飽和化酵素FADS3の基質特異性と4,14-スフィンガジエンの代謝 (2022)
  • 著者名/発表者名: 城島啓佑, 木原章雄
  • 学会等名: 第15回セラミド研究会学術集会，第16回スフィンゴテラピィ研究会合同年会
• [学会発表] ヒト三次元培養表皮を用いた結合型セラミド組成解析と肌機能評価への活用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 秋山史成, 井野口友紀, 大塚彩加, 竹内伸之, 大野祐介, 木原章雄, 高岡彰子
  • 学会等名: 第15回セラミド研究会学術集会，第16回スフィンゴテラピィ研究会合同年会
• [学会発表] 魚鱗癬原因遺伝子Nipal4欠損マウス表皮におけるセラミド組成解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山地まりの, 大野祐介, 木原章雄
  • 学会等名: 第95回日本生化学会大会
• [学会発表] 皮膚バリアの維持におけるアシルセラミド及び結合型セラミドの役割 (2022)
  • 著者名/発表者名: 平沼大雅, 佐々貴之, 木原章雄
  • 学会等名: 日本薬学会第143年会
• [備考] 北海道大学薬学研究院生化学研究室
  • URL: https://www.pharm.hokudai.ac.jp/seika/index.html
• [備考] ヒト角質層セラミド分子種の全容の解明に関するプレスリリース
  • URL: https://www.hokudai.ac.jp/news/2022/06/post-1056.html