共同研究・競争的資金等の研究課題

変異型の銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（SOD1）は家族性の筋萎縮性側索硬化症（ALS）の病因タンパク質であり、運動ニューロンにおいて凝集し封入体を形成することが知られている。SOD1の凝集メカニズムについては多くの研究がなされているものの、いまだに解明がなされていない。本課題では、ALSが加齢性疾患の一つであり酸化ストレスの亢進が報告されていることに着目し、酸化的環境におけるSOD1の構造変化を明らかにすることで、ALSにおけるSOD1凝集の病理学的役割について理解することを目的としている。実際、ALS患者の脳脊髄液に含まれるSOD1は、タンパク質表面に露出しているCys111の側鎖が酸化されていることを報告してきた。そこで本年度には、SOD1に過酸化水素を添加することによって、Cys111の酸化を試験管内で再現することを試み、Cys111の酸化がSOD1の構造に及ぼす影響について検討を進めた。まず、高濃度の過酸化水素を添加することによって、Cys111の側鎖がスルフェン酸・スルホン酸に酸化されることを質量分析によって明らかにした。また、Cys111の側鎖がスルフェン酸に酸化されたSOD1を模倣したC111D変異型SOD1を作製し、熱安定性や亜鉛イオンとの結合親和性について評価した。特に、C111D変異によってSOD1の熱安定性が若干ではあるが低下することがわかったものの、生理的温度においてタンパク質のミスフォールディングが引き起こされるほどの安定性低下ではなかった。しかし、過酸化水素で酸化したSOD1は疎水性度が増大しており、変性していることが示唆されたことから、酸化によるSOD1の変性メカニズムについてさらに検討を進めている。

変異型の銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（SOD1）は、遺伝性の筋萎縮性側索硬化症（ALS）の発症原因として考えられており、運動ニューロン内に変異型SOD1が凝集して封入体を形成していることが知られている。アミノ酸置換による変異型SOD1の凝集メカニズムとして、ホモ二量体として存在するSOD1の単量体化が引き金となって凝集し、運動ニューロンに毒性を発揮しているのではないかという提案がある。しかし、SOD1ホモ二量体の解離定数は非常に小さく、単量体化するのはごく一部であることから、その検出が極めて困難であった。そこで、京都府立大学の田中俊一准教授と協力し、単量体SOD1に特異的に結合する人工タンパク質（モノボディー）を開発した。本課題で開発したモノボディーMb(S4)は、正常なSOD1ホモ二量体とは結合せず、単量体化したSOD1のみと結合する高い選択性を持っている点が大きな特徴である。一方で、開発したモノボディーと単量体型SOD1との親和性は低く、プルダウン法などの手法によって単量体型SOD1の検出を行うことはできなかったものの、クロスリンク試薬を活用することで、モノボディー・単量体型SOD1の複合体を検出することができた。実際、変異型SOD1を発現させた培養細胞や出芽酵母・大腸菌から、単量体SOD1を検出することにも成功した。以上より、親和性に課題が残っているものの、単量体型SOD1のみを特異的に認識することができる分子の開発に成功した。

SOD1遺伝子変異を原因とする筋萎縮性側索硬化症（SOD1-ALS）では、ミスフォールド型の変異SOD1タンパク質が病変部位である脊髄運動ニューロンに異常に蓄積する。しかし、ミスフォールド型SOD1の分子構造的特徴や毒性については明らかとなっていない。私たちはこれまでに、変異SOD1がジスルフィド結合でクロスリンクされた「S-Sオリゴマー」が疾患の発症に関わるミスフォールド型SOD1であることを報告してきた（PNAS 2006; JBC 2013）。本研究では、S-Sオリゴマーを特異的に認識する抗体の開発に成功し、病変部位である脊髄前角の運動ニューロンにS-Sオリゴマーが加齢に伴い蓄積することを見いだした（Mol Neurodegener 2017）。一方で、SOD1-ALSの非病変部位である小脳には、S-Sオリゴマーの形成・蓄積は認められなかった。また、SOD1遺伝子に変異を有するALS患者の脊髄には、本課題にて開発したS-Sオリゴマー特異的認識抗体によって検出されるSOD1が蓄積していることを見いだした。よって、病因性変異に伴って、SOD1の構造が不安定化することで、S-S結合の組換え現象が生じ、S-Sオリゴマーが形成することを示すことができた。しかし、S-Sオリゴマーが神経変性に関わる毒性を発揮するのかについては未だ不明のままである。そこで本研究では、S-Sオリゴマーを線虫に投与することでその毒性の評価を行った。その結果、S-Sオリゴマーを添加すると寿命短縮・運動性低下が見られたのに対して、正常型SOD1を投与しても毒性は確認されなかった。以上より、変異SOD1タンパク質はS-Sオリゴマーを形成することで病原性を発揮することを提案する。

亜鉛イオンは生命の維持に不可欠な金属イオンで、タンパク質に結合することでその構造を安定化させたり、酵素活性の中心として機能したりする。一方で、亜鉛イオンは錯体形成能力が非常に高く、鉄や銅といった他の金属イオンを結合するべきタンパク質にも結合し、それらの生理活性を低下させる危険性がある。実際、細胞内における亜鉛イオンは何らかの生体物質と結合しており、遊離状態としての濃度は非常に低く抑えられている。そのような細胞内環境において、亜鉛結合タンパク質がどのように亜鉛イオンを獲得しているのか明らかでない。そこで本課題では、未だ発見されていない「亜鉛シャペロン」の探索に挑戦した。

SOD1は酸化ストレス軽減に関わるタンパク質だが、変異が生じると凝集体を形成し、筋萎縮性側索硬化症(ALS)の原因となる。しかし、SOD1凝集体の分子構造は明らかでない。そこで、質量分析法によるタンパク質凝集体の構造解析手法を開発し、SOD1凝集体の分子構造が変異の種類に依存することを明らかにした。罹病期間などのALS病態は変異の種類に依存することから、凝集体構造の相違は疾患表現型の制御因子の一つではないかと考えられた。

銅イオンは必須微量金属の一つであり、タンパク質に結合することで各種の酵素活性の中心として機能している。一方で、遊離状態の銅イオンは活性酸素の発生を触媒することで毒性を発揮することがあるため、その細胞内動態は厳密に制御されねばならない。そこで本課題では、銅結合酵素であるSOD1への銅イオン輸送経路に着目し、細胞内での銅イオンの「流れ」を制御するメカニズムの解明を行った。特に、細胞内に銅イオンを取り込む輸送体であるCTR1と銅シャペロンCCSとの相互作用について解析を行い、SOD1への銅イオン供給を試験管内で再現することができるのかを検討することを最終的な目標として研究を進めた。

銅イオンは生命活動に必須の構成成分で、さまざまなタンパク質と結合することにより、酵素活性の中心として機能している。生体内での存在量は微量なレベル（成人で80 mg）に調節され、遺伝的要因や過剰な摂取・欠乏による濃度異常は多くの疾患の原因となる。本課題の遂行により、生体内におけるタンパク質への銅イオン輸送メカニズムの一端が明らかとなり、銅イオン輸送制御の破綻が発症要因となるヒト疾患の病理メカニズムについても、その知見を得ることができた。

ハンチントン病(HD)はハンチンチン蛋白質(Htt)に存在するポリグルタミン鎖(polyQ)の異常伸長によって引き起こされ、神経細胞内での変異蛋白質の蓄積・凝集が主な病理学的所見である。本研究では、Htt凝集体に含まれる蛋白質の一つとしてTIA-1を同定し、TIA-1がHtt凝集体に取り込まれるメカニズムとして、polyQ線維によるTIA-1の線維化促進を提案している。TIA-1はRNA結合を行うN末端領域とstress granule形成にかかわるC末端領域(TIA-1^c)からなるが、培養細胞を用いた実験から、polyQ凝集体との共局在にはTIA-1^cが必須であることを明らかにした。線維の形成は「核形成」と「伸長」の二段階からなるが、ある蛋白質の線維が別の蛋白質の線維化の核として働くことが稀にある(cross-seeding)。そこで、polyQにTIA-1^cの線維を加えたものの、polyQの線維化に大きな速度論的変化はなかった。しかし、TIA-1^cにpolyQ線維を加えるとTIA-1^cの線維化が促進されることが分かった。細胞内においても、polyQ凝集体が核となりTIA-1が凝集体に巻き込まれる様子を生細胞観察により捉えることができ、R6/2マウスにおいても、変異Httが凝集した後にTIA-1がSDS不溶性になることを確認できた。以上の結果から、異常伸長したpolyQからなる線維状凝集体が他の蛋白質の線維化を促進していることが示唆される。さらに、polyQ線維を核としたcross-seeding機構により、様々な蛋白質の機能喪失が加速度的に進行すると考えられ、発症すると急速に症状が悪化する神経変性疾患の一面を説明できる可能性がある。

酸化ストレスの増大は、タンパク質などの生体分子に酸化的な修飾を施すことが知られており、様々な疾患で観察される。例えば、神経変性疾患の一種である筋萎縮性側索硬化症（ALS）では、各種の酸化ストレスマーカーが病変部位である脊髄において増大するとともに、銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（SOD1）の構造異常化（ミスフォールディング）が進行するとされている。実際、精製したSOD1に高濃度（mM）の過酸化水素（H2O2）を添加することでTrp/His/Cysが酸化されることから、酸化修飾によるSOD1のミスフォールディング機構が提案されている。しかし、生体内でのH2O2濃度がmMレベルにまで高くなることがあるのかは甚だ疑問であり、酸化ストレスの増大がSOD1の構造にもたらす影響は明らかとなっていない。そこで、低濃度（microM）のH2O2がSOD1の構造にもたらす影響を検討したところ、タンパク質表面に露出したCys111のチオール基がスルフェニル化されることが確認された。天然状態のSOD1はホモ二量体として存在しているが、スルフェニル化を通じて異常化したSOD1は単量体となり、構造揺らぎが増大したミスフォールド体となっていることも分かった。つまり、生体内で生じるH2O2によって、SOD1はスルフェニル化されうることが十分に考えられ、金属イオンがさらに解離することでミスフォールドすることが考えられた

本研究では、銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ（SOD1, SodC）の成熟化過程に着目し、生体内における生命金属動態制御の理解と、その破綻がもたらす疾患発症機序の解明を目標としている。その実現に向けて本年度は、バクテリアSodCによる銅イオン獲得のメカニズムとヒトSOD1への銅・亜鉛イオンの結合メカニズムの解明に取り組んだ。まず、SodCによる銅イオン獲得のメカニズムについては、SOD1/SodCに保存された分子内ジスルフィド結合に関わるシステイン残基が、銅イオンや亜鉛イオンの獲得に重要な役割を果たしうることを明らかにできた。また、ヒトSOD1への銅・亜鉛イオン結合プロセスにおいては、分子内ジスルフィド結合が形成していると、銅・亜鉛イオンの結合サイトに金属イオンがランダムに結合してしまうことがわかった。特に、銅イオン結合サイトへの亜鉛イオンの結合を防ぐためには、ジスルフィド結合が切断されている必要があった。以上より、SOD1やSodCへの金属イオン結合は、ジスルフィド結合に形成するシステイン残基によって制御されていることがわかった。これらの成果は、２報の原著論文として報告するとともに、６件の招待講演として発表を行った。

生体内における銅イオン輸送を制御するタンパク質間分子認識のメカニズムを解明するために、銅シャペロン(CCS)と含銅酵素(SOD1)との間に見られる会合・解離のプロセスに着目した。CCSはSOD1に銅イオンを輸送するためのタンパク質で、三つのドメインから構成されている。本課題では、SOD1との相互作用に重要であるドメイン(CCS-DII)を精製し、SOD1と会合するために必要な条件を生化学的手法により明らかにした。

細胞内における金属イオン（特に、銅イオン）の動態を理解するために、最も主要な銅タンパク質SOD1と、SOD1に銅イオンを供給する銅シャペロンCCSに着目し、その作用機序について検討を行なった。また、CCSと相互作用する新規タンパク質を網羅的に同定し、新たな細胞内金属イオン輸送経路を明らかにした。さらに、神経変性疾患ALSにおけるSOD1への銅イオン供給の破綻について検証し、金属イオン動態の制御が生命現象を維持するために重要であることを示した。

生体内において、銅イオンは様々なタンパク質に結合し、酸化還元活性の中心として機能している。一方、遊離状態の銅イオンは、細胞にとって有毒な活性酸素種を生成することが知られている。そのため、細胞内のほぼ全て銅イオンは何らかの生体分子に結合した状態で存在しており、遊離状態の銅イオンは細胞１つあたりわずか１個程度だと言われている。このような生体内環境において、細胞内に取り込まれた銅イオンは、「銅シャペロン」と呼ばれる銅イオン運搬タンパク質に結合することで、銅イオンを必要とする種々のタンパク質へと供給される。代表的な銅イオン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（SOD1）は、銅イオン、亜鉛イオンを結合し、分子内でS-S結合を形成することで活性化する抗酸化酵素である。SOD1は銅シャペロンCCSから銅イオンの供給を受けることが知られている。実際に、CCS遺伝子を欠損させた酵母やマウスにおいて、SOD1の活性が消失、あるいは、著しく減少することが報告されている。また、生体から抽出したSOD1には銅イオンが１対１で結合していることから、生体内の全てのSOD1がCCSから銅イオンを供給されていることが考えられる。例えば、SOD1に対してCCSと銅イオンをどちらも添加した場合、銅イオンのみを添加した場合に比べて、SOD1の活性が劇的に上昇することが報告されている。しかし、試験管内で活性化したSOD1に関して、酵素活性の定性的な評価は多くなされているものの、CCSによる銅イオンの供給を定量的に評価している報告はほとんどなく、実際にSOD1に結合した銅イオンの量は不明瞭となっている。本研究では、銅イオンのキレート剤であるBCSを利用することで、SOD1に結合した銅イオンを簡便に定量できる手法を確立し、CCSによるSOD1への銅イオン供給反応について定量的な評価を試みた。

家族性筋萎縮性側索硬化症（fALS）では、変異型Cu/Zn-スーパーオキシドジスムターゼ（SOD1）タンパク質の構造異常化（ミスフォールド）が病態の特徴である。 本研究は、線虫を用いて、ミスフォールドしたSOD1の毒性を検出しようとするユニークな方法を提案するものである。 変異型SOD1タンパク質は、アミロイド様の不溶性凝集体やジスルフィド結合した可溶性オリゴマーを形成するが、このようなミスフォールドしたSOD1タンパク質を線虫に投与すると、可溶性オリゴマーだけが寿命の短縮、運動性の低下といった悪影響を与えることが確認された。

DNA/RNA結合タンパク質であるFUS（TLS）をコードする遺伝子への変異は、家族性の筋萎縮性側索硬化症の原因として報告されている。さらに、病因性変異はFUSの核内移行シグナルとして機能するC末端領域に数多く同定されており、変異型FUSは細胞質に異常に蓄積することで本来の機能を喪失することが提案されている。しかし、C末端領域以外にも多くの病因性変異が見つかっており、そのような変異型FUSは野生型と同様に核内に局在することから、変異型FUSによるALSの分子病理メカニズムは明らかでない。 そこで、野生型及び各種のALS変異型FUSタンパク質を作製・精製し、その凝集反応を試験管内で比較検討したところ、核内移行シグナルに影響を及ぼさない病因性変異（G156E）はFUSの凝集性を増大させ、アミロイド様の線維を形成することが分かった。また、G156E変異型FUSはヒト神経芽細胞腫SH-SY5Yやラット海馬神経初代培養細胞において、核内で凝集体を形成することを明らかにした。興味深いことに、G156E変異型FUSが核内に凝集体を形成した神経細胞では、MAP2の染色性が低下しており、何らかのダメージを受けていることが示唆された。さらに、G156E変異型FUSが形成する線維はシードとして機能することで、野生型FUSを線維化させることが分かった。実際、核内に形成するG156E変異型FUSの凝集体には、野生型FUSが共局在していることが明らかとなった。 つまり、細胞内局在に影響を及ぼさないアミノ酸変異であっても、FUSの凝集性を増大させる変異が存在することが分かった。そのような変異型FUSが核内で形成する線維状凝集体は、シードとして野生型FUSの線維化を促進することができ、FUSの生理機能を「雪だるま式」に低下させることで、神経細胞死を引き起こすと考えられた。

第1期の公募研究が参画したことから、ホームページを更新、毎月のニュースレター発行を継続、充実させた。前年度構築した連携研究・共同研究の積極的な実施体制を浸透させた。 総括班会議については、COVID-19の感染状況を鑑みてオンライン実施1回、対面とオンラインのハイブリッド実施2回の他、メール会議1回実施した。領域会議は、オンライン実施1回、ハイブリッド実施1回とした。領域会議地方巡業と銘打って、対面とオンラインでのハイブリッド方式での実施を東北大にて準備した（COVID-19感染状況からオンライン実施）。 また、領域の班会議やシンポジウムとは別に、生命金属科学関連分野の若手研究者を集めて「若手会」を設け、若い世代の人的交流を活発にする試みを開始した（3月にオンライン若手会を実施）。また、オンライン実施等となった、生化学会、化学会、薬学会等各種学術集会においても、合計11回のワークショップ、シンポジウムを共催したほか、生命金属に関連する合同年会（ConMetal2021）を共催し、研究成果を国内外に発信した。前年度の研究成果報告書を冊子としてまとめ、生命金属に関連する研究者に送付、御意見を頂き、領域運営に積極的に活用した。また、生命金属研究各領域の魅力について語り、融合研究を加速させるほか、一般社会にも広くアピールするため、IBmSウエブセミナーを領域内で合計12回にわたって実施した。特に公開可能な内容について順次ホームページで公開している。また、班員が中心となって進めている研究の最先端の内容をまとめた動画の作製に着手、領域内での十分な議論を踏まえ、公開を開始した。

ApoEは、アルツハイマー病患者の脳に見られる蛋白質沈着物(老人斑)の構成蛋白質として早くから同定されており、Aβのアミロイド形成を促進することが示唆されてきた。しかし、アルツハイマー病の神経病理がApoE遺伝子型により異なるという報告もあり、ApoEアイソフォームはアミロイドの化学的性質に影響を及ぼす可能性が考えられる。つまり、ApoEはアミロイド形成を制御する重要な蛋白質であると示唆されるが、その詳細な機構に関しては明らかでない。まず、ApoE蛋白質のアイソフォーム(E2,E3,E4)を大腸菌に発現させたところ、全てのアイソフォームにおいて毒性が認められた。そこで、培養温度を下げ緩やかな発現誘導を行うことで、培養液1LあたりmgオーダーでのApoE蛋白質の精製に成功した。一方、大腸菌においてAβペプチド単独ではその発現を認めることができなかったものの、GST蛋白質と融合させることで発現量を増加させ、精製後にプロテアーゼで切断することでAβペプチドを大量に得る手法を開発した。また、再構成Aβペプチドは一定時間後に直径が約10nmの線維状凝集物であるアミロイドを形成することを原子間力顕微鏡により確認した。ApoE蛋白質単独では線維状凝集物の形成を確認できなかったが、ApoE蛋白質はAβペプチドのアミロイド化を遅らせることが分かった。特に、Aβのアミロイド化を遅らせる効果はE3よりもE4の方が弱かったことから、脳内にAβアミロイドが蓄積するまでの時間がApoEの遺伝子型に依存する可能性が考えられた。