小胞体とゴルジ体間のpH勾配に依存した新たなタンパク質品質管理機構の分子基盤

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H04335
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 稲葉 謙次 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (10423039)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: タンパク質品質管理 / Ｘ線結晶構造解析 / 小胞体 / PDI

Outline of Annual Research Achievements

ERp44は、小胞体局在性の酵素や構造未成熟の分泌タンパク質をゴルジ体で捕獲し小胞体に逆輸送することで分泌経路のタンパク質品質管理を行うPDI familyのタンパク質である。この機能においてERp44が小胞体とゴルジ体間のpH勾配を利用して構造変化を引き起こすことを我々は２０１３年に報告したが(Vavassori et al., Mol Cell, 2013)、ERp44のpHセンシング機構はこれまで不明であった。平成２８年度は、小胞体のpHに相当するpH7.2とゴルジ体のpHに相当するｐH6.5の二つの条件で結晶構造を解き、ERp44のpH変化に伴う構造変化を原子分解能で決定することに成功した。これによりERp44のpHセンシング機構に関する重要な知見がアミノ酸レベルで得られ、論文をPNASに発表した（Watanabe et al., PNAS in press）。さらに興味深いことに、ERp44の構造機能制御において、小胞体―ゴルジ体間のpH勾配に加え、亜鉛イオンの結合解離が深く関与することを発見した。ERp44の亜鉛結合状態の結晶構造を解くことに成功し、さらにキレート剤による細胞内亜鉛枯渇、および亜鉛イオノフォアによる亜鉛添加などを行い、ERp44の細胞内局在の変化や活性変化を詳細に解析した。その結果、亜鉛によるERp44の構造機能制御機構の詳細を解明するに至った。本成果についても、原稿はほぼ完成しており、国際一流雑誌に近日中に投稿予定である。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

ERp44のpH変化に伴う構造変化を原子分解能で決定することに成功し、ERp44のpHセンシング機構に関する論文をPNAS誌に発表したことは大きな進展である。さらに、ERp44の構造機能制御において亜鉛イオンが深く関与することも極めて重要な発見である。すでにERp44の亜鉛結合状態の結晶構造を解くことに成功し、亜鉛結合に伴うERp44の構造変化を明らかにした。さらに、種々の細胞生物学的実験かも亜鉛によるERp44の機能制御に関する多くの重要な知見が得られ、pHと亜鉛によるERp44の機能発現制御機構の全容を解明するに至っている。以上の研究の展開は当初の計画に想定していなかったものであり、当初の計画以上に研究が大きく進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

亜鉛によるERp44の構造機能制御に関する論文を、一日も早く国際一流雑誌に発表することを最優先事項とする。すでに原稿はほぼ完成しており、近日中に投稿予定である。レフリーからのコメントにできるだけ迅速にかつ完璧に答え、一日も早い論文受理を目指す。さらにERp44による基質認識講、さらにはKDEL受容体とERp44間の結合様式を解明するため、ERp44とその基質であるEro1aとの複合体およびERp44-KDEL受容体複合体の結晶構造解析に精力的に取り組む。すでに、ERp４４-Ero１複合体の調整は完了しており、またヒト細胞を用いたKDEL受容体の大量発現精製にも成功している。したがって、上記の実験がすぐに開始できる状況にある。

Research Products

• [Int'l Joint Research] San Raffaele Scientific Institute(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: San Raffaele Scientific Institute
• [Journal Article] Structural basis of pH-dependent client binding by ERp44, a key regulator of protein secretion at the ER-Golgi interface. (2017)
  • Author(s): Watanabe, S., Harayama, M., Kanemura, S., Sitia, R. and Inaba, K.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: in press Pages: 未定
  • DOI: 10.1073/pnas.1621426114
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Preparation of selenoinsulin as a long-lasting insulin analog (2017)
  • Author(s): Arai, K.#, Takei, T.#, Okumura, M.#, Watanabe, S.#, Amagai, Y., Hojo, H.*, Inaba, K.* and Iwaoka, M.*
  • Journal Title: Angewandte Chemie Volume: in press Pages: 未定
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The highly dynamic nature of ERdj5 is key to efficient elimination of aberrant protein oligomers through ER-associated degradation (2017)
  • Author(s): Maegawa, K., Watanabe, S., Noi, K., Okumura, M., Amagai, Y., Inoue, M., Ushioda, R., Nagata, K., Ogura, T. and Inaba, K
  • Journal Title: Structure Volume: in press Pages: 未定
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Redox-assisted regulation of Ca2+ homeostasis in the endoplasmic reticulum by ERdj5 (2016)
  • Author(s): Ushioda, R., Miyamoto, A., Inoue, M., Watanabe, S., Okumura, M., Maegawa, K., Uegaki, K., Fujii, S., Fukuda, Y., Umitsu, M., Takagi, J., Inaba, K., Mikoshiba, K., Nagata, K.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 113 Pages: 6055-6063
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Human ER Oxidereductin-1a (Ero1a) undergoes dual regulation through complementary redox interactions with Protein Disulfide Isomerase. (2016)
  • Author(s): Kanemura, S., Okumura, M., Yutani, K., Ramming, T., Hikima, T., Appenzeller-Herzog, C., Akiyama, S., and Inaba, K.
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 291 Pages: 23952-23964
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Zn-dependent regulation of the protein quality control by ERp44 in the early secretory pathway (2016)
  • Author(s): Harayama, M., Watanabe, S., Amagai, Y., Sannino, S., Sitia, R., Inaba, K.
  • Organizer: 第39回日本分子生物学会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-11-30 – 2016-12-03
• [Presentation] 小胞体タンパク質品質管理に関与するERp44のpHと亜鉛イオンによる機能制御 (2016)
  • Author(s): 渡部 聡, 原山麻奈美, 天貝佑太, 増井翔史, Sara Sannino, Roberto Sitia, 稲葉謙次
  • Organizer: 第８９回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-09-25 – 2016-09-27
• [Presentation] How do PDI family member proteins act on unfolded/misfolded proteins to ensure protein quality control in the ER. (2016)
  • Author(s): Inaba, K.
  • Organizer: Nascent chain biology meeting 2016
  • Place of Presentation: 富士レークホテル（山梨県河口湖町）
  • Year and Date: 2016-09-01 – 2016-09-03
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structural basis of pH- and zinc-dependent protein quality control by ERp44 (2016)
  • Author(s): Watanabe, S., Harayama, M., Amagai, Y., Sannino, S., Masui, S., Sitia, R. and Inaba, K.
  • Organizer: Nascent chain biology meeting 2016
  • Place of Presentation: 富士レークホテル（山梨県河口湖町）
  • Year and Date: 2016-09-01 – 2016-09-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 亜鉛イオンによるERp44を介した小胞体タンパク質品質管理機構の分子基盤 (2016)
  • Author(s): 渡部 聡, 原山麻奈美, 天貝佑太, 増井翔史, Sara Sannino, Roberto Sitia, 稲葉謙次
  • Organizer: 第１６回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2016-06-07 – 2016-06-09
• [Remarks] 東北大学 多元物質科学研究所 生体分子構造研究分野 稲葉研究室
  • URL: http://www.tagen.tohoku.ac.jp/labo/inaba/
• [Remarks] 細胞内pH変化を利用したタンパク質品質管理のメカニズム ‐pHセンシング機構の構造基盤を解明‐
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/news_press/20170404/
• [Remarks] 東北大学生命科学研究科分子生命科学専攻 稲葉謙次
  • URL: http://www.lifesci.tohoku.ac.jp/teacher/t_inaba/