分子夾雑環境におけるタンパク質の金属イオン獲得メカニズム

2018 年度 実績報告書

• 研究領域: 分子夾雑の生命化学
• 研究課題/領域番号: 18H04564
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 古川 良明 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (40415287)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 金属タンパク質

研究実績の概要

銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（SOD1）は、銅イオンと亜鉛イオンを結合し、活性酸素の一種であるスーパーオキシドを除去する活性を有した酵素である。酸素呼吸が可能なほぼ全ての生物はSOD1を有しており、ヒトにおいても、SOD1活性の低下は様々な加齢性疾患を発症させることが提案されている。酸素呼吸を行うバクテリア（グラム陰性菌）は、ペリプラズム空間にSOD1（バクテリアではSodCと呼ばれる）を局在させることで、好中球によって貪食・殺菌を受ける際に発せられるスーパーオキサイドからバクテリアを保護していると考えられている。実際、病原性サルモネラ菌のペリプラズム空間には二種類のSodCが存在し（SodC-I, SodC-II）、SodC-Iを欠損したサルモネラ菌は好中球によって殺菌されやすくなり、病原性は低下することが知られている。一方で、SodC-IIを欠損させても、サルモネラ菌の病原性には変化が見られず、その役割は未だ明らかとなっていない。嫌気条件ではSodC-IIの発現は見られなくなることから、SodC-IIの役割は酸素分子に関連しているとも考えられるものの、SodC-IIを欠損させても、好気条件におけるバクテリアの増殖や生存率は影響を受けないことが報告されている。そこで、酸素呼吸を行うグラム陰性菌のモデルとして大腸菌を用い、SodC-IIが活性化するためには銅イオンが必要である点に着目することで、SodC-IIの生理的役割を検討した。その結果、活性型のSodC-IIは、酸素呼吸の過程において、電子伝達系から漏れ出た電子によって酸素分子が還元されて生じるスーパーオキシドを除去することで、大腸菌をその毒性から保護しているものと推察された。

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

細胞内に存在する全タンパク質のうち、およそ３割は金属イオン（Fe, Cu, Znなど）を活性中心として結合することで、電子伝達や様々な酵素機能を発揮している。実際、金属イオンを結合できなければ、金属タンパク質は適切な生理機能を発揮できず、様々な疾患を発症させることも知られている。タンパク質への金属イオン結合は生命現象を維持する上で非常に重要な反応であるにもかかわらず、その細胞内制御に関する詳細なメカニズムについては未だ多くの点が明らかとなっていない。平成３０年度には、大腸菌をモデルにすることで、分子夾雑な細胞内環境における銅イオンの運搬・供給メカニズムに関する検討を進めた。特に、ペリプラズム空間において主要な銅タンパク質であるSodCへの銅イオン供給・酵素活性化を制御する因子について研究を行い、夾雑環境におけるSodCの銅イオン獲得メカニズムに関して知見を得ることができた。よって、本研究課題に関する現在までの進捗状況は概ね順調であると考えられる。

今後の研究の推進方策

前年度までに引き続き、ペリプラズム空間において最も主要な金属結合タンパク質である銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（SodC）に着目し、細胞夾雑環境であってもSodCに銅イオンを供給することができるペリプラズム内因子の同定を進める。

研究成果

• [雑誌論文] Sequence- and seed-structure-dependent polymorphic fibrils of alpha-synuclein (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Goki、Yamanaka Tomoyuki、Furukawa Yoshiaki、Kajimura Naoko、Mitsuoka Kaoru、Nukina Nobuyuki
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease 巻: 1865 ページ: 1410～1420
  • DOI: 10.1016/j.bbadis.2019.02.013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biochemical and morphological classification of disease-associated alpha-synuclein mutants aggregates (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Goki、Yamanaka Tomoyuki、Furukawa Yoshiaki、Kajimura Naoko、Mitsuoka Kaoru、Nukina Nobuyuki
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 508 ページ: 729～734
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2018.11.200
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rapid dissemination of alpha-synuclein seeds through neural circuits in an in-vivo prion-like seeding experiment (2018)
  • 著者名/発表者名: Okuzumi Ayami、Kurosawa Masaru、Hatano Taku、Takanashi Masashi、Nojiri Shuuko、Fukuhara Takeshi、Yamanaka Tomoyuki、Miyazaki Haruko、Yoshinaga Saki、Furukawa Yoshiaki、Shimogori Tomomi、Hattori Nobutaka、Nukina Nobuyuki
  • 雑誌名: Acta Neuropathologica Communications 巻: 6 ページ: 96
  • DOI: 10.1186/s40478-018-0587-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Elimination of TDP-43 inclusions linked to amyotrophic lateral sclerosis by a misfolding-specific intrabody with dual proteolytic signals (2018)
  • 著者名/発表者名: Tamaki Yoshitaka、Shodai Akemi、Morimura Toshifumi、Hikiami Ryota、Minamiyama Sumio、Ayaki Takashi、Tooyama Ikuo、Furukawa Yoshiaki、Takahashi Ryosuke、Urushitani Makoto
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 ページ: 6030
  • DOI: 10.1038/s41598-018-24463-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cu/Zn-superoxide dismutase forms fibrillar hydrogels in a pH-dependent manner via a water-rich extended intermediate state (2018)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara Noriko、Wagatsuma Michiru、Oba Naoto、Yoshihara Daisaku、Tokuda Eiichi、Sakiyama Haruhiko、Eguchi Hironobu、Ichihashi Motoko、Furukawa Yoshiaki、Inoue Tadashi、Suzuki Keiichiro
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 13 ページ: e0205090
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0205090
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of a novel zinc-binding protein, C1orf123, as an interactor with a heavy metal-associated domain (2018)
  • 著者名/発表者名: Furukawa Yoshiaki、Lim Carolyn、Tosha Takehiko、Yoshida Koki、Hagai Tomoaki、Akiyama Shuji、Watanabe Shoji、Nakagome Kenta、Shiro Yoshitsugu
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 13 ページ: e0204355
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0204355
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 生体内銅イオン動態に着目した筋萎縮性側索硬化症の病理解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 古川良明
  • 雑誌名: 生化学 巻: 90 ページ: 311-319
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2018.900311
• [学会発表] Metal-deficiency in Cu/Zn-superoxide dismutase: a potential cause of motor neuron disease, ALS (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Furukawa
  • 学会等名: 9th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A misfolding mechanism of Cu/Zn-superoxide dismutase under oxidative conditions of amyotrophic lateral sclerosis (2018)
  • 著者名/発表者名: Itsuki Anzai, Eiichi Tokuda, Atsushi Mukaiyama, Shuji Akiyama, and Yoshiaki Furukawa
  • 学会等名: 9th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Factors controlling expression levels of periplasmic Cu/Zn-superoxide dismutase in Escherichia coli (2018)
  • 著者名/発表者名: Koki Yoshida and Yoshiaki Furukawa
  • 学会等名: 9th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Conformation-dependent toxicity of Cu/Zn-superoxide dismutase in Caenorhabditis elegans (2018)
  • 著者名/発表者名: Ayano Toba, Eiichi Tokuda, and Yoshiaki Furukawa
  • 学会等名: 9th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference
  • 国際学会
• [学会発表] A network for intracellular copper distribution controlled by interactions between copper chaperones (2018)
  • 著者名/発表者名: Kyoka Matsumoto, Kenta Nakagome, and Yoshiaki Furukawa
  • 学会等名: 9th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Wild-type SOD1 is misfolded in cerebrospinal fluid of sporadic ALS (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshiaki Furukawa, Eiichi Tokuda, Shinji Ohara, Noriko Fujiwara
  • 学会等名: 22nd International Symposium on ALS/MND
  • 国際学会
• [学会発表] 神経変性疾患に見られる生体内銅イオン動態の異常 (2018)
  • 著者名/発表者名: 古川良明
  • 学会等名: 第6回メタロミクス研究フォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] A mechanism on copper acquisition of bacterial Cu/Zn-superoxide dismutase (2018)
  • 著者名/発表者名: 古川良明
  • 学会等名: 第56回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 筋萎縮性側索硬化症における銅・亜鉛結合タンパク質SOD1のミスフォールディングメカニズム (2018)
  • 著者名/発表者名: 古川良明
  • 学会等名: 第18回日本蛋白質科学会年会
• [図書] 食と医療 2018 FALL－WINTER Vol．7 (2018)
  • 著者名/発表者名: 「食と医療」事務局
  • 総ページ数: 116
  • 出版者: 講談社
  • ISBN: 978-4-06-514058-1
• [備考] 慶應理工のタンパク質科学（生命機構化学・古川研究室）
  • URL: https://furukawa.mixh.jp