細胞増殖因子ポリアミンの機能解明とその濃度調節機序

2012 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 23590088
• 研究機関: 千葉科学大学
• 研究代表者: 柏木 敬子 千葉科学大学, 薬学部, 教授 (80169424)
• キーワード: ポリアミン / プトレスシン / スペルミジン / スペルミン / アクロレイン / GAPDH / 生存率 / バイオフィルム

研究概要

1. ポリアミンは主としてRNAと結合し、その構造を変化させることにより特定蛋白質合成を翻訳レベルで促進する。これまでに大腸菌で11種の細胞増殖に関連する蛋白質及び3種の生存率上昇に関わる蛋白質がポリアミンにより合成促進をうけることを明らかにし、これらの蛋白質をコードする遺伝子群をポリアミンモジュロンと命名した。細菌は飢餓ストレスにさらされると、バイオフィルムを形成する。代表的なものに、歯垢、排水溝のぬめり、カテーテル内に形成される黄色ブドウ球菌のコロニー等がある。今年度、大腸菌のバイオフィルム形成能に対するポリアミンの効果を調べた結果、定常期においてポリアミンが細胞内に蓄積すると、バイオフィルム形成が著しく上昇することを見出し、バイオフィルム形成制御に関わる二成分情報伝達系のレスポンスレギュレーターであるUvrYとCpxRがポリアミンにより翻訳レベルで合成促進をうけることを見出した。さらに蛋白質合成に必須なribosome recycling factor (RRF)が生存率上昇に必須なポリアミンモジュロンであることを見出した。さらにUvrY、CpxR及びRRFのポリアミンによる合成促進機構と生理機能を明らかにした。
2. ポリアミンの酸化分解により生じるアクロレインは強い細胞毒性を示し、特に蛋白質を不活化する。細胞障害を引きおこす際にどの蛋白質がアクロレイン抱合をうけ不活化されるかをマウス乳がん由来FM3A細胞を用いて検討したところ、glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH)がアクロレイン化をうけ、更に活性中心のCys-150及びCys-282がアクロレイン化アミノ酸残基であることを見出した。GAPDHがアクロレイン化されると、核に移行し、アポトーシスを引きおこすことが明らかとなった。

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

ポリアミンの生理機能解明に関し、ポリアミンにより翻訳レベルで合成促進をうける遺伝子の同定が大腸菌で順調に進行し、現在酸化ストレスに対するポリアミンモジュロンの同定を進めている。真核細胞でも翻訳因子eEF1Aのほかに時計遺伝子を見出した。eEF1A合成のポリアミンによる合成促進メカニズムはeEF1A mRNAの18S rRNAとの相補配列の位置が他のmRNAと異なっているためであることを見出しており、詳細に検討する予定である。
ポリアミン輸送系に関しては、大腸菌の２種のプトレスシン輸送系（PotFGHI及びPuuP）の性質と特徴に関して明らかになりつつある。

今後の研究の推進方策

大腸菌では、ポリアミンが結合して構造変化を起こすことにより、翻訳レベルで合成促進を起こすRNA構造が同定されてきた。この構造変化を分子レベルで更に明らかにするためNMR等により構造解析を行う。また、真核細胞でも同様なメカニズムでポリアミンが翻訳を促進するかどうか、mRNAに特徴があり、細胞増殖・分化に重要な遺伝子をポリアミンモジュロンとして同定する。
アクロレインの細胞毒性機序に関して、GAPDHの他にビメンチンがアクロレイン化されることを見出しており、アクロレイン化部位の同定と、ビメンチンを介するアクロレイン毒性機序を明らかにする予定である。

次年度の研究費の使用計画

ポリアミンが特徴的な構造変化を引き起こすRNAを合成し、NMR解析を行う。また真核細胞の細胞培養系を用いて、遺伝子トランスフェクション、Western blotting等により解析する。
以上のように物品費に主として使用すると共に、研究成果発表のための旅費として使用する。

研究成果

• [雑誌論文] Inactivation of GAPDH as one mechanism of acrolein toxicity. (2013)
  • 著者名/発表者名: Nakamura, M., Tomitori, H., Suzuki, T., Sakamoto, A., Terui, Y., Saiki, R., Dohmae, N., Igarashi, K., and Kashiwagi, K.
  • 雑誌名: Biochem. Biophys. Res. Commun. 巻: 430 ページ: 1265-1271
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2012.12.057
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of polyamines at the G1/S boundary and G2/M phase of the cell cycle. (2013)
  • 著者名/発表者名: Yamashita, T., Nishimura, K., Saiki, R., Okudaira, H., Tome, M., Higashi, K., Nakamura, M., Terui, Y., Fujiwara, K., Kashiwagi, K., and Igarashi, K.
  • 雑誌名: Int. J. Biochem. Cell Biol. 巻: 45 ページ: 1042-1050
  • DOI: 10.1016/j.biocel.2013.02.021
  • 査読あり
• [雑誌論文] Antagonism of NMDA receptors by butanesulfonyl-homospermine guanidine and neuroprotective effects in in vitro and in vivo. (2012)
  • 著者名/発表者名: Masuko, T., Suzuki, T., Miyake, M., Kusama-Eguchi, K., Kizawa, Y., Tomono, K., Kashiwagi, K., Igarashi, K., and Kusama, T.
  • 雑誌名: Neurosci Lett. 巻: 506 ページ: 251-255
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2011.11.017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Increase in cell viability by polyamines through stimulation of the synthesis of ppGpp regulatory protein and ω protein of RNA polymerase in Escherichia coli. (2012)
  • 著者名/発表者名: Terui, Y., Akiyama, M., Sakamoto, A., Tomitori, H., Yamamoto, K., Ishihama, A., Igarashi, K., and Kashiwagi, K.
  • 雑誌名: Int. J. Biochem. Cell Biol. 巻: 44 ページ: 412-422
  • DOI: 10.1016/j.biocel.2011.11.017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Augmented glutathione synthesis decreases acrolein toxicity. (2012)
  • 著者名/発表者名: Tomitori, H., Nakamura, M., Sakamoto, A., Terui, Y., Yoshida, M., Igarashi, K., and Kashiwagi, K.
  • 雑誌名: Biochem. Biophys. Res. Commun. 巻: 418 ページ: 110-115
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2011.12.143
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure and function of polyamine-amino acid antiporters CadB and PotE in Escherichia coli. (2012)
  • 著者名/発表者名: Tomitori, H., Kashiwagi, K., and Igarashi, K.
  • 雑誌名: Amino Acids 巻: 42 ページ: 733-740
  • DOI: 10.1007/s00726-011-0989-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inverse correlation between stroke and urinary 3-hydroxypropyl mercapturic acid, an acrolein-glutathione metabolite. (2012)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, M., Mikami, T., Higashi, K., Saiki, R., Mizoi, M., Fukuda, K., Nakamura, T., Ishii, I., Nishimura, K., Toida, T., Tomitori, H., Kashiwagi, K., and Igarashi, K.
  • 雑誌名: Clin. Chim. Acta 巻: 413 ページ: 753-759
  • DOI: 10.1016/j.cca.2012.01.020
  • 査読あり
• [雑誌論文] Increased protein-conjugated acrolein and amyloid-β40/42 ratio in plasma of patients with mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease. (2012)
  • 著者名/発表者名: Waragai, M., Yoshida, M., Mizoi, M., Saiki, R., Kashiwagi, K., Takagi, K., Arai, H., Tashiro, J., Hashimoto, M., Iwai, N., Uemura, K., and Igarashi, K.
  • 雑誌名: J. Alzheimer’s Dis. 巻: 32 ページ: 33-41
  • DOI: 10.3233/JAD-2012-120253
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural change of R domain heterodimer of NMDA receptor GluN1 and GluN2B through binding of spermine and ifenprodil. (2012)
  • 著者名/発表者名: Tomitori, H., Suganami, A., Saiki, R., Mizuno, S., Yoshizawa, Y., Masuko, T., Tamura, Y., Nishimura, K., Toida, T., Williams, K., Kashiwagi, K., and Igarashi, K.
  • 雑誌名: J. Pharmacol. Exp. Ther. 巻: 343 ページ: 82-90
  • DOI: 10.1124/jpet.112.192286
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced biofilm formation and/or cell viability by polyamines through stimulation of response regulators UvrY and CpxR in the two-component signal transducing systems, and ribosome recycling factor. (2012)
  • 著者名/発表者名: Sakamoto, A., Terui, Y., Yamamoto, T., Kasahara, T., Nakamura, M., Tomitori, H., Yamamoto, K., Michael, A. J., Igarashi, K., and Kashiwagi, K.
  • 雑誌名: Int. J. Biochem. Cell Biol. 巻: 44 ページ: 1877-1886
  • DOI: 10.1016/j.biocel.2012.07.010
  • 査読あり
• [学会発表] Identification and its effect on cell growth of acrolein-conjugated protein in mouse mammary carcinoma FM3A cells. (2012)
  • 著者名/発表者名: Tomitori, H., Nakamura, M., Suzuki, T., Terui, Y., Yoshida, M., Saiki, R., Dohmae, N., Igarashi, K., Kashiwagi, K.
  • 学会等名: International Congress on “Polyamines: Biological and Clinical Perspectives”
  • 発表場所: Istanbul Kultur University, Turkey
  • 年月日: 20120902-20120907
• [学会発表] Enhanced biofilm formation and cell viability by polyamines through polyamine stimulation of response regulators UvrY and CpxR in the two-component signal transducing systems and ribosome recycling factor. (2012)
  • 著者名/発表者名: Sakamoto, A., Terui, Y., Yamamoto, T., Kasahara, T., Tomitori, H., Yamamoto, K., Ishihama, A., Michael, A. J., Igarashi, K., Kashiwagi, K.
  • 学会等名: International Congress on “Polyamines: Biological and Clinical Perspectives”
  • 発表場所: Istanbul Kultur University, Turkey
  • 年月日: 20120902-20120907
• [学会発表] Properties of polyamine uptake by human organic cation transporter 2. (2012)
  • 著者名/発表者名: Higashi, K., Uemura, T., Toida, T., Kashiwagi, K. Igarashi, K.
  • 学会等名: International Congress on “Polyamines: Biological and Clinical Perspectives”
  • 発表場所: Istanbul Kultur University, Turkey
  • 年月日: 20120902-20120907
• [学会発表] Comparison of putrescine uptake catalyzed by PotFGHI and PuuP in Escherichia coli. (2012)
  • 著者名/発表者名: Terui, Y., Saroj, S. D., Sakamoto, A., Yoshida, T., Higashi, K., Saiki, R., Kurihara, S., Suzuki, H., Toida, T., Kashiwagi, K., Igarashi, K.
  • 学会等名: International Congress on “Polyamines: Biological and Clinical Perspectives”
  • 発表場所: Istanbul Kultur University, Turkey
  • 年月日: 20120902-20120907
• [学会発表] 真核細胞における新規ポリアミンモジュロンの同定及び蛋白質合成促進機構の解明
  • 著者名/発表者名: 吉田健人, 照井祐介, 笠原拓馬, 坂本明彦, 永池 誠, 富取秀行, 五十嵐一衛, 柏木敬子
  • 学会等名: 「ポリアミンと核酸の共進化」 第11回合同シンポジウム
  • 発表場所: 東京慈恵会医科大学 西新橋校 西講堂
• [学会発表] アクロレイン抱合GAPDHを介したアクロレインの細胞毒性機序
  • 著者名/発表者名: 中村瑞穂, 富取秀行, 鈴木健裕, 照井祐介, 斎木遼太郎, 堂前 直, 五十嵐一衛, 柏木敬子
  • 学会等名: 第85回日本生化学会大会
  • 発表場所: マリンメッセ福岡
• [学会発表] ポリアミンによるバイオフィルム形成能及び生存率の上昇
  • 著者名/発表者名: 坂本明彦, 照井祐介, 山本 拓, 笠原拓馬, 富取秀行, 山本兼由, 石浜 明, 五十嵐一衛, 柏木敬子
  • 学会等名: 第85回日本生化学会大会
  • 発表場所: マリンメッセ福岡
• [学会発表] スペルミンおよびイフェンプロジルの結合によるNMDA受容体GluN1及びGluN2BのN末端調節領域の構造変化
  • 著者名/発表者名: 斎木遼太郎, 富取秀行, 菅波晃子, 水野聡美, 吉沢祐基, 益子 崇, 田村 裕, 西村和洋, 戸井田敏彦, キース ウィリアムス, 柏木敬子, 五十嵐一衛
  • 学会等名: 第85回日本生化学会大会
  • 発表場所: マリンメッセ福岡
• [学会発表] Structural change of R domain heterodimer of NMDA receptor GluN1 and GluN2B through binding of spermine and ifenprodil.
  • 著者名/発表者名: Kashiwagi, K., Tomitori, H., Suganami, A., Saiki, R., Mizuno, S., Yoshizawa, Y., Masuko, T., Tamura, Y., Nishimura, K., Toida, T., Williams, K., Igarashi, K.
  • 学会等名: International Congress on “Polyamines: Biological and Clinical Perspectives”
  • 発表場所: Istanbul Kultur University, Turkey
• [学会発表] 翻訳因子eIF1Aのポリアミンによる蛋白質合成促進機構の解明
  • 著者名/発表者名: 笠原拓馬, 照井祐介, 吉田健人, 坂本明彦, 富取秀行, 五十嵐一衛, 柏木敬子
  • 学会等名: 日本ポリアミン学会第4回大会
  • 発表場所: 松島・ホテル大観荘
• [学会発表] 細胞周期進行におけるポリアミンの機能解析
  • 著者名/発表者名: 山下智子, 西村和洋, 斎木遼太郎, 奥平宏之, 當銘真悠子, 東 恭平, 照井祐介, 藤原邦雄, 柏木敬子, 五十嵐一衛
  • 学会等名: 日本ポリアミン学会第4回大会
  • 発表場所: 松島・ホテル大観荘
• [学会発表] GAPDHを介したアクロレイン毒性機序の解明
  • 著者名/発表者名: 中村瑞穂, 富取秀行, 鈴木健裕, 照井祐介, 斎木遼太郎, 堂前 直, 五十嵐一衛, 柏木敬子
  • 学会等名: 日本ポリアミン学会第4回大会
  • 発表場所: 松島・ホテル大観荘
• [学会発表] 大腸菌及び動物細胞におけるポリアミンによる翻訳の効率化機構
  • 著者名/発表者名: 柏木敬子，五十嵐一衛
  • 学会等名: 日本農芸化学会2013仙台大会シンポジウム「神秘の生理活性物質ポリアミン研究の新展開」
  • 発表場所: 東北大学川内キャンパス
  • 招待講演
• [学会発表] ポリアミンによる翻訳伸長因子eIF1Aの蛋白質合成促進機構の解明
  • 著者名/発表者名: 坂本明彦, 照井祐介, 吉田健人, 笠原拓馬, 富取秀行, 五十嵐一衛, 柏木敬子
  • 学会等名: 日本薬学会第133年会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
• [学会発表] 軽度認知障害及びアルツハイマー病患者における血漿蛋白質抱合アクロレイン及びアミロイドβ40/42比の上昇
  • 著者名/発表者名: 吉田 円, 藁谷正明, 溝井睦美, 斎木遼太郎, 植村研一, 柏木敬子, 五十嵐一衛
  • 学会等名: 日本薬学会第133年会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
• [学会発表] 大腸菌プトレスシン輸送蛋白質PotFGHI及びPuuPの生理的意義の解明
  • 著者名/発表者名: 照井祐介, Sunil D. Saroj, 坂本明彦, 吉田健人, 東 恭平, 斎木遼太郎, 栗原 新, 鈴木秀之, 戸井田敏彦, 柏木敬子, 五十嵐一衛
  • 学会等名: 日本薬学会第133年会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
• [産業財産権] 3-HPMAを指標とした脳卒中及び/又は脳梗塞の判定方法 (2012)
  • 発明者名: 五十嵐一衛、柏木敬子、吉田円、溝井睦美、斎木遼太郎
  • 権利者名: 株式会社アミンファーマ研究所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2012/064960
  • 出願年月日: 2012-06-12