ユビキチン連結酵素PARKINを活性化するメカニズム

2013 年度 実績報告書

• 研究領域: ユビキチンネオバイオロジー：拡大するタンパク質制御システム
• 研究課題/領域番号: 25112522
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 研究機関: 公益財団法人東京都医学総合研究所
• 研究代表者: 松田 憲之 公益財団法人東京都医学総合研究所, 生体分子先端研究分野, プロジェクトリーダー (10332272)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: Parkin / PINK1 / ユビキチン / ミトコンドリア / パーキンソン病

研究概要

申請者は研究計画に従って研究を遂行し、「異常なミトコンドリアによってParkinが活性化される仕組み」に関して顕著な進展があった。ひとつはParkinのリン酸化を介した制御であり、もう一つは活性中心であるCys431とユビキチンが高エネルギーチオエステル結合を形成することによる制御である。
申請者は2010年にはPINK1のプロテインキナーゼ活性がParkinの異常ミトコンドリアへの移行とユビキチン連結酵素(E3)活性化に必須であること、つまりPINK1のキナーゼ活性とParkinのE3活性が細胞内で良く相関することを報告した(JCB, 2010)。本年度はこのParkinの活性化を分子の言葉で説明するべく研究に邁進した。まずParkin様のタンパク質HHARIがRING-HECT hybrid型のE3であることに着想を得て、Parkinの活性中心がCys431であることや、このCys431とユビキチンがチオエステル結合した中間体を形成してParkinがE3として機能することを見出した。更に、PINK1のリン酸化標的を解析する過程で、ParkinのSer65がPINK1依存的にリン酸化されることや、このSer65リン酸化がCys431を介したユビキチン-チオエステル結合中間体形成に重要であることを報告した(Iguchi JBC 2013)。これらの結果から考察すると「活性中心であるCys431が普段はParkinの自己阻害ドメインによって塞がれているが、これがPINK1依存的なParkinのSer65リン酸化を介して脱抑制される」モデルが示唆されるが、「ParkinのSer65リン酸化模倣変異体(S65D, S65E)が細胞内でPINK1機能をバイパスしない」という実験結果との矛盾があり、次年度の研究課題であると考える。

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

ParkinのSer65がPINK1依存的にリン酸化されること、そのリン酸化がParkinのCys431を介したユビキチンとのチオエステル結合の形成やParkinの活性化に重要であることを見出しており、さらに上記の内容でJBC誌に論文を報告した。研究は概ね順調に推移していると考える。

今後の研究の推進方策

研究実績概要に記したように、「活性中心であるCys431が普段はParkinの自己阻害ドメインによって塞がれているが、これがPINK1依存的なParkinのSer65リン酸化を介して脱抑制される」という仮説が考えられるが、「ParkinのSer65リン酸化模倣変異体(S65D, S65E)が細胞内でPINK1機能をバイパスしない」という実験結果と矛盾しており、次年度には両者を統合するような仮説の提出と、その実験的な検証に挑む。

研究成果

• [雑誌論文] A dyadic PINK1-containing complex on depolarized mitochondria stimulates Parkin recruitment. (2013)
  • 著者名/発表者名: Okatsu, K., Uno, M., Koyano, F., Go, E., Kimura, M., Oka, T., Tanaka, K., and Matsuda, N.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 288 ページ: 36372-36384
  • DOI: doi:10.1074/jbc.M113.509653
  • 査読あり
• [雑誌論文] Parkin catalyzed ubiquitin-ester transfer is triggered by PINK1-dependent phosphorylation. (2013)
  • 著者名/発表者名: Iguchi, M., Kujuro, Y., Okatsu, K., Koyano, F., Kimura, M., Suzuki, N., Uchiyama, S., Tanaka, K., and Matsuda, N.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem., 巻: 288 ページ: 22019-22032
  • DOI: doi: 10.1074/jbc.M113.467530
  • 査読あり
• [雑誌論文] The principal PINK1 and Parkin cellular events triggered in response to dissipation of mitochondrial membrane potential occur in primary neurons. (2013)
  • 著者名/発表者名: Koyano, F., Okatsu, K., Ishigaki, S., Fujioka, Y., Kimura, M., Sobue, G., Tanaka, K.*, and Matsuda, N*.
  • 雑誌名: Genes to Cells 巻: 18 ページ: 672-681
  • DOI: DOI: 10.1111/gtc.12066
  • 査読あり
• [学会発表] Identification of the Genuine Substrate of PINK1 that Activates Parkin (2014)
  • 著者名/発表者名: Noriyuki Matsuda
  • 学会等名: Keystone Symposium, Mitochondrial Dynamics and Physiology (Q5)
  • 発表場所: Santa Fe Community Convention Center, Santa Fe, New Mexico, USA
  • 年月日: 20140218-20140223
  • 招待講演
• [学会発表] Parkin catalyzes ubiquitylation on damaged mitochondria via a (ubiquitin-ester)-transfer rather than an E2-recruitment (2013)
  • 著者名/発表者名: Noriyuki Matsuda and Keiji Tanaka
  • 学会等名: International Symposium on Mitochondria 2013
  • 発表場所: Roppongi Hills
  • 年月日: 20131106-20131107
  • 招待講演
• [学会発表] 遺伝性パーキンソン病の関連因子 PINK1 と Parkin がミトコンドリア異常をモニターする仕組み (2013)
  • 著者名/発表者名: 松田憲之
  • 学会等名: 第86回 日本生化学会大会シンポジウム「ミトコンドリアワールド：エネルギー生産から生体内環境保全まで」
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 20130911-20130913
  • 招待講演
• [学会発表] Parkin catalyzes ubiquitylation via a (ubiquitin-ester)-transfer rather than an E2-recruitment
  • 著者名/発表者名: Noriyuki Matsuda and Keiji Tanaka
  • 学会等名: 4th IGAKUKEN International Symposium on Cutting-edge of the Ubiquitin-Proteasome System
  • 発表場所: 公益財団法人東京都医学総合研究所
  • 招待講演
• [備考] 蛋白質代謝研究室ラボ HP
  • URL: http://www.igakuken.or.jp/pro-meta/
• [産業財産権] パーキンソン病のバイオマーカーおよびその利用 (2014)
  • 発明者名: 松田憲之、小谷野史香、尾勝圭、呉越、木村まゆみ、佐伯泰
  • 権利者名: 松田憲之、小谷野史香、尾勝圭、呉越、木村まゆみ、佐伯泰
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2014-028449
  • 出願年月日: 2014-02-18