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Protein disulfide isomeraseのS-ニトロシル化を介した神経変性疾患の発症および進展機構の解明

杉浦 弘樹 東北大学

2021.09.24

概要

世界保健機関 (WHO) の試算によれば、認知症の患者数は 2019 年の時点で、世界で約 5000 万人にのぼることが明らかとなっており、2050 年には 1 億人を超えると推定されている 1)。日本においても、2012 年の時点における患者数は462 万人にのぼると報告されている他、認知症の予備軍である軽度認知障害 (MCI) の患者数は 400 万人にのぼると推定されている 2)。認知症は、記憶障害をはじめとする認知機能の低下が認められ、患者の日常生活動作 (ADL) や生活の質 (QOL) の低下が顕著な疾患である 3)。このため、認知症の影響は患者本人のみならず、家族などの介護者にも身体的、精神的、経済的な負担をもたらす4)。一方で、現在、認知症の根本的な治療法はなく、臨床で使用される治療薬をみてもアセチルコリンエステラーゼ阻害薬や NMDA 受容体阻害薬などの対症療法に限定されており、根治治療薬の確立が喫緊の課題となっている。

認知症は、その発症メカニズムによって、アルツハイマー型認知症、脳血管性認知症、ルビー小体型認知症などに分類され、中でもアルツハイマー型認知症の患者数は全体の約 70%を占めている 1)。アルツハイマー型認知症は、代表的な神経変性疾患であるアルツハイマー病 (AD) が発症の原因とされており、その病理学的特徴の一つに、脳内にタンパク質凝集体である老人班の形成・蓄積が知られている 5)。これまでの長年の研究から、老人斑はアミロイドβ (Aβ) が凝集したタンパク質凝集体であることが明らかとなっている 5)。AD の発症メカニズムとして、Aβの蓄積が神経原線維変化を引き起こし、神経細胞が破壊され脳萎縮が引き起こされるとしたアミロイド仮説が長年唱えられてきた。しかしながら、アルツハイマー病の発症後に抗Aβ抗体を用いてAβを除去しても、脳萎縮や認知機能の改善が認められないことから、近年、神経原線維変化とAβの凝集・蓄積は別の事象であると認識されるようになってきている 6-8)。

ところで、AD の発症には、脳内で発生する酸化ストレスの関与が疑われている 9)。通常生体内では、ミトコンドリアによるエネルギー代謝の過程などにおいて、過酸化水素、スーパーオキシド、一重項酸素およびヒドロキシラジカルなどの活性酸素種 (ROS) や、反応性の窒素や鉄、銅、硫黄などが生じる 10-12)。これらの活性酸素種は、種々の抗酸化酵素の働きにより処理され、細胞内の酸化還元状態は維持されている 13-15)。酸化ストレスは、これらの酸化還元状態を維持する機構が破綻している状態と定義され、神経変性疾患や心血管および炎症性疾患、糖脳病、白内障、癌などの多くの慢性疾患の発症への関与が疑われている 16-20)。

細胞内における活性酸素種は高い反応性を有しており、核酸、脂質、タンパク質などの生体分子に様々な酸化修飾を加える。例えば、核酸に対して活性酸素種が作用すると多くの酸化的損傷が生じ、7,8-dihydro-8-oxo-2’-deoxyguanosine (8-oxo-dGuo) が生成される 21)。DNA 中に生じた 8-oxo-dGuo は、DNA 複製の際、相手側にアデニンを高頻度に取り込み、発がんに関与する 22)。

また、細胞膜を構成するリン脂質などの高度不飽和脂肪酸も、活性酸素種によって過酸化脂質を発生し、アルデヒドに分解されることでさらに酸化的損傷を誘発することが考えられている 23, 24)。

さらに、活性酸素種がタンパク質と反応すると、メチオニン残基の酸化、システイン残基のスルフェン化 (SOH 化)、スルフィン化 (SOOH 化)、S-ニトロシル化 (SNO 化)が生じる 25)。

活性酸素種の一種である一酸化窒素 (NO) はラジカル分子であり、アルギニンや酸素等を由来として、NO 合成酵素 (NOS) によって生成される 26)。生体内においては、血管内皮細胞の拡張や記憶の形成などの多岐にわたった生理機能が知られているが、その作用メカニズムとして、NO がタンパク質に対して酸化修飾をもたらすことが考えられている。NO による酸化修飾には、システイン残基に対する S-ニトロシル化、チロシン残基に対するニトロ化、ヘム鉄の S-ニトロシル化があり 27)、これらは種々の酵素や転写因子を活性化させる。また、活性化グアニル酸シクラーゼによって GTP から合成されたサイクリック GMPが、ニトロ化されることで、タンパク質のシステイン残基を S-グアニル化することも報告されている 28)。タンパク質に対するこれらの修飾は、NO 存在下においては可逆的に生じることが知られており、NO がシグナル分子として作用することが示唆されている 29, 30)。

一方、過量な NO によるタンパク質の酸化修飾は、疾患の引き金にもなりうる。特にシステイン残基は、タンパク質の高次構造を決定する上で重要であり、ミスフォールディングタンパク質やアンフォールディングタンパク質などの異常タンパク質の発生を増加させる。

さて、脳は、酸化ストレスに晒されやすく、不飽和脂肪酸に富んでいる一方、一部の抗酸化酵素の発現量が低下しており、MCI 患者の神経細胞においては、核酸、脂質の酸化修飾体の増加が知られている 31, 32)。実際、ダウン症患者を対象とした臨床研究において、酸化ストレスがAβの産生に先行して蓄積される他、 in vitro では神経細胞に対する過酸化水素処理がAβなどの異常タンパク質の蓄積を亢進することが知られている 31, 33)。

異常タンパク質は、小胞体内に取り込まれるが、その際に小胞体ストレスが発生する。小胞体ストレスは、その初期段階において、タンパク質の翻訳抑制やシャペロン分子の誘導といった細胞保護に関わるシグナルを活性化することが知られている。一方、異常タンパク質の蓄積が進むにつれて細胞内でタンパク質の分解が誘導され、アポトーシスが引き起こされる。

また、異常タンパク質の凝集が共通して認められる AD、パーキンソン病 (PD) 、筋委縮性側索硬化症 (ALS) といった種々の神経変性疾患患者の死後脳において、SNO 化された protein disulfide isomerase (PDI) が同定されている 34, 35)。PDI は小胞体に存在するタンパク質で、種々のタンパク質のジスルフィド結合の形成および異性化を担う重要な生体内酵素の一つであり、異常タンパク質の再フォールディングにも寄与している 36, 37)。PDI は、a、a’、b、b’の４つのドメインから構成され、活性部位に 4 つ、基質結合ドメインに 2 つのシステイン残基を有している。このうち、a、a’ドメインは活性部位である CGHC モチーフを持ち、酸化還元反応により、基質タンパク質のジスルフィド結合の形成や異性化を行う 36)。これまでに PDI の SNO 化と神経変性疾患の発症および進展との関連について、いくつかの研究が進められており、PDI の過剰発現や低分子 PDI ミミックの導入により、異常タンパク質の凝集や、神経細胞死が抑制されることが報告されている 35, 38)。また PDI の一遺伝子多型は、ALS の発症リスクの上昇や運動機能低下との関連が報告されている 39)。

以上の通り、PDI の機能変動が、種々の神経変性疾患において異常タンパク 質の発生・蓄積に寄与することが推測される。一方、神経変性疾患の発症過程に おいて、なぜ PDI の SNO 化が生じるのか。また PDI の SNO 化が、神経変性 をどのように導くのかについては、はっきりしたことはわかっていない。筆者は、細胞内に誘導される酸化ストレスが、PDI のシステイン残基を SNO 化すること で、異常タンパク質が蓄積し、神経変性・細胞死を誘導するのではないかと考え た。そこで本研究では、PDI の SNO 化を機序とした新規神経変性疾患の発症お よび進展機序の解明、ならびに PDI の脱 SNO 化を機序とした治療法・予防法 の探索を目的とした。第１章では、神経変性疾患の病態モデル細胞を作製し、酸 化ストレスと PDI の SNO 化、そして神経変性の機序について解析を行った。 第 2 章では、PDI の立体構造に着目し SNO 化部位の解析を行った。次いで、 SNO 化 PDI を脱修飾する抗酸化分子として neohesperidin を同定し、脱 SNO 化による神経変性への影響を解析した。

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1) World Health Organization. (2018) Key Messages the Prevalence of Dementia Worldwide. World Heal. 3-6.

2) 朝田隆 et al. (2013)「都市部における認知症有病率と認知症の生活機能障害への対応」総括・分担研究報告書.

3) Organization, W. H. (2017) Global action plan on the public health response to dementia 2017-2025. Geneva World Heal. 52.

4) Opara, J. A. (2012) Activities of daily living and quality of life in Alzheimer disease. J. Med. 5, 162-167.

5) Jacobsen, J. S. et al. (2005) Current concepts in therapeutic strategies targeting cognitive decline and disease modification in Alzheimer’s disease. NeuroRx 2, 612-626.

6) Holmes, C. et al. (2008) Articles long-term effects of Aβ 42 immunisation in Alzheimer’s disease: follow-up of a randomized, placebo-controlled phaseⅠtrial. Lancet 372, 216-223.

7) Gold, M. et al. (2010) Rosiglitazone monotherapy in mild-to-moderate Alzheimer’s disease: Results from a randomized, double-blind, placebo- controlled phase Ⅲ study. Dement. Geriatr. Cogn. Disord. 30, 131-146.

8) Gejl, M. et al. (2016) In Alzheimer’s disease, 6-month treatment with GLP-1 analog prevents decline of brain glucose metabolism: Randomized, placebo-controlled, double-blind clinical trial. Front. Aging Neurosci. 8, 1-10.

9) Tönnies, E. & Trushina, E. (2017) Oxidative stress , synapticdysfunction, and Alzheimer’s disease. J. Alzheimer’s Dis. 57, 1105-1121.

10) Lee, S. H. & Blair, I. A. (2001) Oxidative DNA damage and cardiovascular disease. Trends Cardiovasc Med. 11, 148-155.

11) Halliwell, B. et al. (1992) Free radicals, antioxidants, and human disease: where are we now? J. Lab. Clin. Med. 119, 598-620.

12) Riley, P. A. (1994) Free radicals in biology: oxidative stress and the effects of ionizing radiation. Int. J. Radiat. Biol. 65, 27-33.

13) Ames, B. N. et al. (1993) Oxidants, antioxidants, and the degenerative diseases of aging. PNAS. 90, 7915-7922.

14) Gonzalez, F. J. (2005) Role of cytochromes P450 in chemical toxicity and oxidative stress: studies with CYP2E1. Mutat. Res. 569, 101-110.

15) Thannickal, V. J. & Fanburg, B. L. (2000) Reactive oxygen species in cell signaling. Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. 279, L1005-L1028.

16) Persson, T. et al. (2014) Oxidative stress in Alzheimer’s disease: why did antioxidant therapy dail? Oxid. Med. Cell Longev. 2014, 427318.

17) López-Alarcón, C. & Denicola, A. (2013) Evaluating the antioxidant capacity of natural products: a review on chemical and cellular-based assays. Anal. Chem. Acta. 6, 1-10.

18) Sies, H. (1985) Oxidative Stress: Introductory Remarks. Academic Press. 1-8.

19) Maulik, N. et al. (2013) Antioxidants in longevity and medicine. Oxid. Med. Cell Longev. 2013, 820679.

20) Toda, S. (2011) Polyphenol content and antioxidant effects in herb teas. Chin. Med. 2, 29-31.

21) Mangal, D. et al. (2009) Analysis of 7,8-Dihydro-8-oxo-2’-deoxyguanosine in cellular DNA during oxidative stress. Chem. Res. Toxicol. 22, 788-797.

22) Shibutani, S. et al. (1991) Insertion of specific bases during DNA synthesis past the oxidation-damaged base 8-oxodG. Nature. 31, 431-434.

23) Grimsrud, P. A. et al. (2008) Oxidative stress and covalent modification of protein with bioactive aldehydes. J. Biol. Chem. 8, 21837-21841.

24) Sayre, L. M. et al. (2006) Protein adducts generated from products of lipid oxidation: focus on HNE and one. Drug Metab. Rev. 38, 651-675.

25) Finkel, T. (2011) Signal transduction by reactive oxygen species. J. Cell Biol. 194, 7-15.

26) D’Autreaux, B. & Toledano, M. B. (2007) ROS as signalling molecules: mechanisms that generate specificity in ROS homeostasis. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 8, 813-824.

27) Lipton, S. A. et al. (1993) A redox-based mechanism for the neuroprotective and neurodestructive effects of nitric oxide and related nitroso-compounds. Nature. 364, 626-632.

28) Sawa, T. et al. (2007) Protein S-guanylation by the biological signal 8-nitroguanosine 3’,5’-cyclic monophosphate. Nat. Chem. Biol. 3, 727-735.

29) Liu, L. et al. (2001) A metabolic enzyme for S-nitrosothiol conserved from bacteria to humans. Nature. 410, 490-494.

30) Nakamura, T. et al. (2010) Transnitrosylation of XIAP regulates caspase- dependent neuronal cell death. Mol. Cell. 39, 184-195.

31) Nunomura, A. et al. (2000) Neuronal oxidative stress precedes amyloid deposition in down syndrome. J. Neuropathol. Exp. Neurol. 59, 1011- 1017.

32) Markesbery, W. R. et al. (2005) Lipid peroxidation is an early event in the brain in amnestic mild cognitive impairment. Ann. Neurol. 58, 730-735.

33) Misonou, H. et al. (2000) Oxidative stress induces intracellular accumulation of amyloid β-protein (Aβ) in human neuroblastoma cells. Biochemistry 39, 6951-6959.

34) Uehara, T. et al. (2006) S-Nitrosylated protein-disulphide isomerase links protein misfolding to neurodegeneration. Nature 441, 513-517.

35) Walker, A. K. et al. (2010) Protein disulphide isomerase protects against protein aggregation and is S-nitrosylated in amyotrophic lateral sclerosis. Brain 133, 105-116.

36) Hatahet, F. et al. (2009) Protein disulfide isomerase: a critical evaluation of its function in disulfide bond formation. Antioxid. Redox Signal. 11, 2807-2850.

37) Klappa, P. et al. (1998) The b’ domain provides the principal peptide- binding site of protein disulfide isomerase but all domains contribute to binding of misfolded proteins. EMBO J. 17, 927-935.

38) Kitauchi, K. et al. (2016) Glycoprotein quality control-related proteins effectively inhibit fibrillation of amyloid beta 1-42. BBRC 481, 227-231.

39) Woehlbier, U. et al. (2016) ALS-linked protein disulfide isomerase variants cause motor dysfunction. EMBO J. 35, 845-865.

40) Xue, M. et al. (2019) Diabetes mellitus and risks of cognitive impairment and dementia: a systematic review and meta-analysis of 144 prospective studies. Ageing Res. Rev. 55, 100944.

41) Ohara, T. et al. (2011) Glucose tolerance status and risk of dementia in the community: the Hisayama study. Neurology 77, 1126-34.

42) Mastrcola, R. et al. (2005) Oxidative and nitrosative stress in brain mitochondria of diabetic rats. J. Endocrinol. 187, 37-44.

43) Takeda, S. et al. (2010) Diabetes-accelerated memory dysfunction via cerebrovascular inflammation and Abeta deposition in an Alzheimer mouse model with diabetes. PNAS. 107, 7036-7041.

44) Tsuru, A. et al. (2013) Negative feedback by IRE1β optimizes mucin production in goblet cells. PNAS. 110, 2864-2869.

45) Lu, Y. et al. (2014) A synthetic biology approach identifies the mammalian UPR RNA ligase RtcB. Molecular Cell. 55, 758-770.

46) Kosmaczewski, S. G. et al. (2014) The RtcB RNA ligase is an essential component of the metazoan unfolded protein response. EMBO Rep. 15, 1278-1285.

47) Madeira, C. et al. (2018) Elevated glutamate and glutamine levels in the cerebrospinal fluid of patients with probable Alzheimer’s disease and depression. Front. Psychiatry 9, 00561.

48) Marutani, E. et al. (2012) A novel hydrogen sulfide-releasing N-methyl- D-aspartate receptor antagonist prevents ischemic neuronal death. J. Biol. Chem. 287, 32124-32135.

49) Calabrese V. et al. (2006) Nitrosative stress, cellular stress response, and thiol homeostasis in patients with Alzheimer’s disease. Antioxid. Redox Signal. 8, 1975-1986.

50) Vucicevic, L. et al. (2020) Transcriptional block of AMPK-induced autophagy promotes glutamate excitotoxicity in nutrient-deprived SH- SY5Y neuroblastoma cells. Cell. Mol. Life Sci. 77, 3383-3399.

51) Ishikawa, T. et al. (2017) UPR transducer BBF2H7 allows export of type Ⅱ collagen in a cargo- and developmental stage-specific manner. J. Cell Biol. 216, 1761-1774.

52) Papa, F. R. et al. (2003) Bypassing a kinase activity with an ATP- competitive drug. Science 302, 1533-1537.

53) Mauro, C. et al. (2006) Central role of the scaffold protein tumor necrosis factor receptor-associated factor 2 in regulating endoplasmic reticulum stress-induced apoptosis. J. Biol. Chem. 281, 2631-2638.

54) Nishitoh, H. et al. (2002) ASK1 is essential for endoplasmic reticulum stress-induced neuronal cell death triggered by expanded polyglutamine repeats. Genes Dev. 16, 1345-1355.

55) Urano, F. et al. (2000) Coupling of stress in the ER to activation of JNK protein kinases by transmembrane protein kinase IRE1. Science 287, 664- 666.

56) Coelho, D. S. D. et al. (2014) Physiological roles of regulated Ire1 dependent decay. Front. Genet. 5, 76.

57) Rozpedek, W. et al. (2016) The role of the PERK/elF2α/ATF4/CHOP signaling pathway in tumor progression during endoplasmic reticulum stress. Curr. Mol. Med. 16, 533-544.

58) Wu, Y. et al. (2020) Exogenous fibroblast growth factor 1 ameliorates diabetes-induced cognitive decline via coordinately regulating PI3K/AKT signaling and PERK signaling. Cell Commun. Signal. 18, 81.

59) Phillips, H. S. et al. (1991) BDNF mRNA is decreased in the hippocampus of individuals with Alzheimer’s disease. Neuron 7, 695-702.

60) Li, G. et al. (2009) Cerebrospinal fluid concentration of brain-derived neurotrophic factor and cognitive function in non-demented subjects. PLoS One 4, e5424.

61) Wang, C. et al. (2013) Structural insights into the redox-regulated dynamic conformations of human protein disulfide isomerase. Antioxid. Redox Signal. 19, 36-45.

62) Ogura, J. et al. (2020) Cysteine 343 in the substrate binding domain is the primary S-nitrosylated site in protein disulfide isomerase. Free Radic. Biol. 160, 103-110.

63) Pirneskoski, A. et al. (2001) Domains b’ and a’ of protein disulfide isomerase fulfill the minimum requirement for function as a submit of prolyl 4-hydroxylase. The N-terminal domains a and b enhances this function and can be substituted in part by those of ERp57. J. Biol. Chem. 276, 11287-11293.

64) Lin, L. et al. (2015) Quercetin-3-rutinoside inhibits protein disulfide isomerase by binding to its b’x domain. J. Biol. Chem. 290, 23543-23552.

65) Bekendam, R. H. et al. (2016) Inhibition of protein disulfide isomerase in thrombosis. Basic Clin. Pharmacol. Toxicol. 3, 42-48.

66) Wang, J. et al. (2018) Neohesperidin prevents Aβ 25-35-induced apoptosis in primary cultured hippocampal neurons by blocking the S- nitrosylation of protein-disulphide isomerase. Neurochem. Res. 43, 1736- 1744.

67) Panche, A. N. et al. (2016) Flavonoids: an overview. J. Nutr. Sci. 5, e47.

68) Itoh, K. et al. (2009) Inhibitory effects of Citrus hassaku extract and its flavanone glycosides on melanogenesis. Biol. Pharm. Bull. 32, 410-415.

69) Itoh, K. et al. (2009) Antiallergic activity of unripe Citrus hassaku fruits extract and its flavanone glycosides on chemical substance-induced dermatitis in mice. J. Nat. Med. 63, 443-450.

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