分子生化学(柳研究室)

研究テーマ

ミトコンドリアと疾患・老化:細胞内代謝プラントとしての役割を知り、ミトコンドリアを標的にした創薬に挑む

近年のミトコンドリア研究のめざましい進展により、ミトコンドリアは「エネルギー産生を担う均質な豆状オルガネラ」という古典的概念から、「シグナルを検知・処理し、発信する高次機能を制御するオルガネラ」という新たな姿に変貌しました。このような多彩な機能を持つミトコンドリアの機能異常が、ミトコンドリア病のみならず老化や代謝異常を基盤とするさまざまな疾患に関連することは必然とも言えます。当研究室では世界に先駆けてミトコンドリア外膜を4回貫通するユニークな膜型E3ユビキチンリガーゼMITOL(マイトル)を発見することに成功しました。これまでにMITOLがミトコンドリアの形態制御や品質管理を担っていること、ミトコンドリアと小胞体との接着構造の形成を制御していることなどを明らかにしてきました。

今後、私たちはMITOLによるミトコンドリア膜上のユビキチン化を介したシグナル伝達応答の解析を通して、ミトコンドリア動態の制御機構、オルガネラコンタクト(細胞小器官の相互作用)形成の分子機構、新たなシグナル伝達制御機構の同定と生理意義の解明を目指します。さらに、病態との関連およびミトコンドリアを標的にした新たな創薬開発に挑みます。

1. ミトコンドリア動態の制御機構

ミトコンドリア動態(ダイナミクス)は、ミトコンドリアの融合・分裂による形態制御、ミトコンドリアの微小管上での移動、小胞体などの他のオルガネラとの相互作用を包括する機能的概念です。ミトコンドリア動態の破綻は神経変性疾患や心不全などさまざまな疾患を引き起こすことが示唆されています。私たちはこれまでMITOLがミトコンドリア分裂因子Drp1をユビキチン化して分解を促進すること、反対にミトコンドリア融合因子Mfn2を活性化することによってミトコンドリア動態を調節していることを報告してきました(Yonashiro et al., EMBO J. 2006, Yonashiro et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012, Sugiura et al., Mol. Cell 2013)。このようにMITOLはミトコンドリア動態を制御する中心的な酵素ですが、未だ詳細な分子機構は不明です。最近私たちは、心筋特異的MITOL欠損マウスを解析したところミトコンドリアの形態異常によって重度の心不全を発症する可能性を示しました。今後、MITOLによるミトコンドリア動態の制御機構とその生理的意義について、細胞及び個体レベルの解析を通して、ミトコンドリア動態の破綻と病態との関連を解明し、新たな創薬の標的を提示したいと考えています。

2. オルガネラコンタクトの分子機構と生理機能

オルガネラコンタクトの代表例であるミトコンドリアと小胞体の接着構造は、Mitochondria-associated ER membrane(MAM)とも呼ばれ、効率的な脂質代謝物質の輸送やCa2+の受け渡しを可能にしています。さらに近年、MAMがミトコンドリアの分裂部位の決定に関与すること、オートファゴソームの隔離膜の形成やインフラマソームの形成に関与すること、自然免疫応答のシグナル伝達の足場として機能することなど多彩な役割が報告されており、MAMの生理的重要性がますます注目を集めています。Mfn2はミトコンドリア外膜と小胞体膜の両方に局在し、お互いに重合することによって小胞体とミトコンドリアを架橋する繋留因子として知られていましたが、Mfn2の活性調節機構は不明でした。私たちはMITOLがMfn2をユビキチン化することによってMfn2の重合を促進してMAMの形成を誘導することを世界で初めて明らかにしました(Mol. Cell 2013)。その後、MITOLが生体内においてもMAM形成に必須であることを証明しました(Nagashima et al., Life Sci. Alliance 2019)。さらに、MAMにおいてMITOLが小胞体ストレスセンサーであるIRE1の過剰活性化を抑制して細胞死を回避する新たなシグナル伝達応答機構を明らかにしました(Takeda et al., EMBO J. 2019)。今後、MITOLの機能解析を通してオルガネラコンタクトの基本原理の解明を目指します。

3. ミトコンドリアと疾患

パーキンソン病は中脳黒質のドーパミン作動性神経が脱落することにより振戦・固縮などの錐体外路症状を呈する神経変性疾患の一つで、ミトコンドリアの機能異常が主な原因であると考えられています。家族性パーキンソン病の原因遺伝子の一つであるParkinは膜電位の低下した劣化ミトコンドリアを特異的に認識して排除するマイトファジーの実行因子として知られています。私たちはMITOLがParkinを制御することによりパーキンソン病の病態に密接に関与することを見出しており、MITOLを活性化する薬剤はパーキンソン病の特効薬になるのではないかと期待しています。さらにMITOLはアルツハイマー病やALSなどの神経変性疾患、心不全、皮膚老化など様々な老化疾患との関連が示唆されています(Yonashiro et al., Mol. Biol. Cell 2009)。今後、臓器特異的MITOL欠損マウスの解析を通して、ミトコンドリア機能不全による疾患の病態を解明し、MITOLを標的にした治療法開発に挑戦したいと考えています。

4. ミトコンドリアを標的にした抗老化薬の開発

皮膚組織特異的MITOL欠損マウスは、早期から顕著な白髪・脱毛が認められ、病理組織解析においても皮膚の老化所見が観察されました。また、正常のマウス皮膚組織においてもMITOLの発現が老化と共に有意に減少することより、MITOLの発現低下は活性酸素種の産生を誘導し老化を引き起こす可能性が示されました。そこで、MITOLの発現を誘導する薬剤は老化を抑制できるのではないかと考え、製薬会社との共同研究でMITOLの発現を誘導する薬剤を同定しました。これらの薬剤をマウスに服用させた結果、皮膚老化を顕著に抑制する結果が得られました。今後、さまざまな化合物(天然物抽出液など)ライブラリーからMITOLの発現を促進する薬剤をスクリーニングし、ミトコンドリアを標的としたサプリメント、化粧品、医薬品を含めた抗老化薬の開発を目指します。

活動実績

主な原著論文

Takeda, K., Uda, A., Mitsubori, M., Nagashima, S., Iwasaki, H., Ito, N., Shiiba, I., Ishido, S., Matsushita, M., Inatome, R., and Yanagi, S., Mitochondrial ubiquitin ligase alleviates Alzheimer's disease pathology via blocking the toxic amyloid-β oligomer generation. Commun. Biol., 4, 192, (2021) PMID: 33580194

Shiiba, I., Takeda, K., Nagashima, S., Ito, N., Tokuyama, T., Yamashita, S.I., Kanki, T., Komatsu, T., Urano, Y., Fujikawa, Y., Inatome, R., and Yanagi, S., MITOL promotes cell survival by degrading Parkin during mitophagy. EMBO Rep., e49097, (2021) PMID: 33565245

Tokuyama, T., Hirai, A., Shiiba, I., Ito, N., Matsuno, K., Takeda, K., Saito, K., Mii, K., Matsushita, N., Fukuda, T., Inatome, R., and Yanagi, S., Mitochondrial Dynamics Regulation in Skin Fibroblasts from Mitochondrial Disease Patients. Biomolecules, 10(3), E450, (2020) PMID: 32183225

Matsuno, K., Nagashima, S., Shiiba, I., Taniwaka, K., Takeda, K., Tokuyama, T., Ito, N., Matsushita, N., Fukuda, T., Ishido, S., Inatome, R., and Yanagi, S., MITOL dysfunction causes dwarfism with anterior pituitary hypoplasia. J. Biochem., 168(3), 305-312 (2020) PMID: 32302394

Takeda, K., Nagashima, S., Shiiba, I., Uda, A., Tokuyama, T., Ito, N., Fukuda, T., Matsushita, N., Ishido, S., Iwawaki, T., Uehara, T., Inatome, R., and Yanagi, S., MITOL prevents ER stress-induced apoptosis by IRE1alpha ubiquitylation at ER-mitochondria contact sites. EMBO J., e100999, (2019) PMID: 31196886

Nagashima, S., Takeda, K., Shiiba, I., Higashi, M., Fukuda, T., Tokuyama, T., Matsushita, N., Nagano, S., Araki, T., Kaneko, M., Shioi, G., Inatome, R., and Yanagi, S., Critical role of CRAG, a splicing variant of centaurin-gamma3/AGAP3, in ELK1-dependent SRF activation at PML bodies. Sci. Rep., 9(1), 20107, (2019) PMID: 31882856

Nagashima, S., Takeda, K., Ohno, N., Ishido, S., Aoki, M., Saitoh, Y., Takada, T., Tokuyama, T., Sugiura, A., Fukuda, T., Matsushita, N., Inatome, R., and Yanagi, S., MITOL deletion in the brain impairs mitochondrial structure and ER tethering leading to oxidative stress. Life Sci. Alliance, 2(4), e201900308, (2019) PMID: 31416892

Fukuda, T., Nagashima, S., Inatome, R., and Yanagi, S., CAMDI interacts with the human memory-associated protein KIBRA and regulates AMPAR cell surface expression and cognition. PLoS ONE, 14(11), e0224967, (2019) PMID: 31730661

Matsushita, N., Suzuki, M., Ikebe, E., Nagashima, S., Inatome, R., Asano, K., Tanaka, M., Matsushita, M., Kondo, E., Iha, H., and Yanagi, S., Regulation of B cell differentiation by the ubiquitin-binding protein TAX1BP1. Sci. Rep., 631266, (2016) PMID: 27515252

Fukuda, T., Nagashima, S., Abe, T., Kiyonari, H., Inatome, R., and Yanagi, S., Rescue of CAMDI deletion-induced delayed radial migration and psychiatric behaviors by HDAC6 inhibitor. EMBO Rep., 17(12), 1785-1798, (2016) PMID: 27737934

Sugiura, A., Nagashima, S., Tokuyama, T., Amo, T., Matsuki, Y., Ishido, S., Kudo, Y., McBride, H.M., Fukuda, T., Matsushita, N., Inatome, R., and Yanagi, S., MITOL regulates endoplasmic reticulum-mitochondria contacts via mitofusin2. Mol. Cell, 51(1), 20-34, (2013) PMID: 23727017

Yonashiro, R., Kimijima, Y., Shimura, T., Kawaguchi, K., Fukuda, T., Inatome, R., and Yanagi, S., Mitochondrial ubiquitin ligase MITOL blocks S-nitrosylated MAP1B-light chain 1-mediated mitochondrial dysfunction and neuronal cell death. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 109(7), 2382-2387, (2012) PMID: 22308378

Sugiura, A., Yonashiro, R., Fukuda, T., Matsushita, N., Nagashima, S., Inatome, R., and Yanagi, S., A mitochondrial ubiquitin ligase MITOL controls cell toxicity of polyglutamine-expanded protein. Mitochondrion, 11(1), 139-146, (2011) PMID: 20851218

Nagashima, S., Fukuda, T., Kubota, Y., Sugiura, A., Nakao, M., Inatome, R., and Yanagi, S., CRAG protects neuronal cells against cytotoxicity of expanded polyglutamine protein partially via C-FOS-dependent AP-1 activation. J. Biol. Chem., 286(39), 33879-33889, (2011) PMID: 21832068

Matsushita, N., Yonashiro, R., Ogata, Y., Sugiura, A., Nagashima, S., Fukuda, T., Inatome, R., and Yanagi, S., Distinct regulation of mitochondrial localization and stability of two human Sirt5 isoforms. Genes Cells, 16(2), 190-202, (2011) PMID: 21143562

Matsushita, N., Endo, Y., Sato, K., Kurumizaka, H., Yamashita, T., Takata, M., and Yanagi, S., Direct inhibition of TNF-alpha promoter activity by Fanconi anemia protein FANCD2. PLoS ONE, 6(8), e23324, (2011) PMID: 21912593

Fukuda, T., Sugita, S., Inatome, R., and Yanagi, S., CAMDI, a novel disrupted in Schizophrenia 1 (DISC1)-binding protein, is required for radial migration. J. Biol. Chem., 285(52), 40554-40561, (2010) PMID: 20956536

Yonashiro, R., Sugiura, A., Miyachi, M., Fukuda, T., Matsushita, N., Inatome, R., Ogata, Y., Suzuki, T., Dohmae, N., and Yanagi, S., Mitochondrial ubiquitin ligase MITOL ubiquitinates mutant SOD1 and attenuates mutant SOD1-induced ROS generation. Mol. Biol. Cell, 20(21), 4254-4530, (2009) PMID: 19741096

Yonashiro, R., Ishido, S., Kyo, S., Fukuda, T., Goto, E., Matsuki, Y., Ohmura-Hoshino, M., Sada, K., Hotta, H., Yamamura, H., Inatome, R., and Yanagi, S., A novel mitochondrial ubiquitin ligase plays a critical role in mitochondrial dynamics. EMBO J., 25(15), 3618-3626, (2006) PMID: 16874301

Qin, Q., Inatome, R., Hotta, A., Kojima, M., Yamamura, H., Hirai, H., Yoshizawa, T., Tanaka, H., Fukami, K., and Yanagi, S., A novel GTPase, CRAG, mediates promyelocytic leukemia protein-associated nuclear body formation and degradation of expanded polyglutamine protein. J. Cell Biol., 172(4), 497-504, (2006) PMID: 16461359

Hotta, A., Inatome, R., Yuasa-Kawada, J., Qin, Q., Yamamura, H., and Yanagi, S., Critical role of collapsin response mediator protein-associated molecule CRAM for filopodia and growth cone development in neurons. Mol. Biol. Cell, 16(1), 32-39, (2005) PMID: 15509652

Takahashi, S., Inatome, R., Yamamura, H., and Yanagi, S., Isolation and expression of a novel mitochondrial septin that interacts with CRMP/CRAM in the developing neurones. Genes Cells, 8(2), 81-93, (2003) PMID: 12581152

Takahashi, S., Inatome, R., Hotta, A., Qin, Q., Hackenmiller, R., Simon, M.C., Yamamura, H., and Yanagi, S., Role for Fes/Fps tyrosine kinase in microtubule nucleation through is Fes/CIP4 homology domain. J. Biol. Chem., 278(49), 49129-49133, (2003) PMID: 14551201

Mitsui, N., Inatome, R., Takahashi, S., Goshima, Y., Yamamura, H., and Yanagi, S., Involvement of Fes/Fps tyrosine kinase in semaphorin3A signaling. EMBO J., 21(13), 3296-3306, (2002) PMID: 12093729

Yanagi, S., Inatome, R., Ding, J., Kitaguchi, H., Tybulewicz, V.L., and Yamamura, H., Syk expression in endothelial cells and their morphologic defects in embryonic Syk-deficient mice. Blood, 98(9), 2869-2871, (2001) PMID: 11675365

Inatome, R., Tsujimura, T., Hitomi, T., Mitsui, N., Hermann, P., Kuroda, S., Yamamura, H., and Yanagi, S., Identification of CRAM, a novel unc-33 gene family protein that associates with CRMP3 and protein-tyrosine kinase(s) in the developing rat brain. J. Biol. Chem., 275(35), 27291-27302, (2000) PMID: 10851247

Yanagi, S., Sugawara, H., Kurosaki, M., Sabe, H., Yamamura, H., and Kurosaki, T., CD45 modulates phosphorylation of both autophosphorylation and negative regulatory tyrosines of Lyn in B cells. J. Biol. Chem., 271(48), 30487-30492, (1996) PMID: 8940015

Yanagi, S., Sada, K., Tohyama, Y., Tsubokawa, M., Nagai, K., Yonezawa, K., and Yamamura, H., Translocation, activation and association of protein-tyrosine kinase (p72syk) with phosphatidylinositol 3-kinase are early events during platelet activation. Eur. J. Biochem., 224(2), 329-333, (1994) PMID: 7925345

プロフィール/メンバー

教授

柳 茂 (Shigeru Ynanagi)

教授経歴

1992年 福井医科大学医学部医学科 卒業
1992年 福井医科大学医学部 助手(第二生化学講座)
1994年 米国Yale大学医学部 客員助教授(免疫部門)(〜1995年)
1995年 神戸大学医学部 助手(生化学第一講座)
2000年 神戸大学医学部 助教授
2001年 神戸大学大学院医学系研究科助教授(ゲノム科学講座)
2002年 科学技術振興事業団戦略的創造研究推進事業さきがけ研究21 研究員「認識と形成」(併任)(〜2006年)
2005年 東京薬科大学生命科学部 教授(分子生化学研究室)
2020年より現職

1997年 博士(医学)神戸大学
2004年 日本生化学会 奨励賞 受賞


助教

椎葉 一心 (Isshin Shiiba)

助教経歴

2017年 東京薬科大学生命科学部 卒業
2017年 東京薬科大学大学院 生命科学研究科 大学院生
2020年より現職

2019年 修士(生命科学)東京薬科大学


研究員

  • 稲留 涼子 (Ryoko Inatome)

大学院生(生命分子科学研究所客員所員)

    D3 伊藤 直樹 Ito Naoki(東京薬科大学)
    M2 高橋 岳良 Takahashi Takara(東京薬科大学)


    学生

    • M1 石川 悠人 Ishikawa Yuto
    • M1 井上 智加 Inoue Tomoka
    • M1 小長谷 涼晏 Konagaya Ryoan
    • M1 櫻井 彩希 Sakurai Saki
    • B4 浅田 早貴 Asada Saki
    • B4 田口 緋郁 Taguchi Hifumi
    • B4 田名部 大士 Tanabu Daishi
    • B4 中里 真奈美 Nakazato Manami
    • B4 流合 真由 Nagareai Mayu
    • B4 堀田 遥香 Horita Haruka
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