蛋白質発現分野

基幹研究部門
ミトコンドリアの構造と機能の理解を通じて
疾病発症におけるその役割を考える
教授　篠原 康雄
yshinoha[@]genome.tokushima-u.ac.jp

1990年　徳島大学大学院薬学研究科 博士後期課程修了、薬学博士
1990年　徳島大学薬学部 助手
1993年　徳島大学薬学部 助教授
2002年　ゲノム機能研究センター 教授、薬学部教授を兼務
2016年　徳島大学先端酵素学研究所教授、薬学部教授を兼務

研究概要

ミトコンドリアは細胞内でエネルギー変換の場として働いているだけでなく、細胞の生死の制御にも関わっていることが明らかにされてきました。従って、ミトコンドリアは多くの疾病の発症と密接に関わっていると考えられ、ミトコンドリアの機能を人為的に制御することができれば、新たな疾病治療法の確立に繋がる可能性を秘めています。私どもの研究室では主としていくつかのミトコンドリアのタンパク質の構造と機能の理解を通じて、ミトコンドリアの構造と機能の理解の深化を目指しています。

ADP/ATP輸送体
このタンパク質の研究の歴史は古く、一次構造が明らかにされた最初の輸送タンパク質としても知られています。このタンパク質の研究が飛躍的に進んだ理由として、親和性が極めて高い（それぞれのKdはおよそ10-9M）カルボキシアトラクチロシドとボンクレキン酸という２つの阻害剤が発見されたことがあげられます。これらの化合物はそれぞれミトコンドリア内膜の外側と内側からADP/ATP輸送体に結合して輸送活性を阻害することが知られています。カルボキシアトラクチロシドの結合したADP/ATP輸送体の結晶構造は2003年に報告されましたが、ボンクレキン酸の結合したADP/ATP輸送体の結晶化は長らく成功せず（後述の通り、2019年の初めに報告された）、ボンクレキン酸がどのようにADP/ATP輸送体と相互作用しているのか、明らかにされておりませんでした。
我々の研究室ではミトコンドリアのタンパク質の復帰変異株を効率よく獲得する実験系の確立に成功しました（山越ら、Mitochondrion、2017年）。この実験系を使ってボンクレキン酸存在下でも輸送活性を示す変異株を取得することができれば、ボンクレキン酸と相互作用しているADP/ATP輸送体のアミノ酸残基の同定が可能であると考えて研究を進め、L142S、I200V、S245P、G298Sという変異株の取得に成功していました（問山ら、日本薬学会中国四国支部例会、2019年）。しかし、これらのアミノ酸残基が本当にボンクレキン酸と相互作用していることを検証することができず、苦悩していました。2019年の初頭に、英国MRCのKunji博士らがボンクレキン酸の結合したADP/ATP輸送体の結晶構造を報告し（Ruprechtら、Cell、2019年）、実際にこれらのアミノ酸がボンクレキン酸と相互作用していることを確認することができました（図１参照）。現在、①復帰変異株獲得法をファインチューニングすることによって、変異株獲得効率の更なる向上を目指す、②ボンクレキン酸と相互作用しているアミノ酸残基のボンクレキン酸との相互作用の強度を正確に評価する実験系の確立、③ボンクレキン酸誘導体の作用の評価（九大先導研の新藤　充教授との共同研究）などの研究課題を推進中です。
また、弱いATPアナログとしての活性を有する化合物として知られてきたsuraminという化合物がADP/ATP輸送体を阻害するとの報告がなされましたが（Todiscoら、Biochem Pharmacol、2016年）、その詳細な作用様式は明らかにされておりませんので、この問題の解明にも取り組んでいます。

褐色脂肪組織での熱産生に関与するタンパク質
我々の研究室では褐色脂肪組織の熱産生を可能にしているタンパク質の同定を目指してトランスクリプトーム解析を進め、筋型カルニチンパルミトイル基転移酵素CPT1b、筋型脂肪酸結合タンパク質FABP3、およびミオグロビンが重要であることを報告してきました。現在、これらのタンパク質に加え、脱共役タンパク質UCP1や2型カルニチンパルミトイル基転移酵素CPT2などの構造と機能、生理的役割の理解に向けた研究に着手しています。

また、当研究室の出身で、2019年の11月まで研究室のスタッフとして活躍してきた山本武範博士（12月より国立医薬品食品衛生研究所の主任研究官）との共同研究も進行中です。

図１．ボンクレキン酸と相互作用しているADP/ATP輸送体のアミノ酸残基
ボンクレキン酸（炭素骨格＝青、酸素原子＝赤）と相互作用しているアミノ酸残基をstickで示し、そのうち我々が復帰変異株の獲得によって同定していた4つのアミノ酸残基を黄色で示した。原著論文はRuprechtら、Cell 176(2019)435。

最近の主要論文

  1. Yamamoto T, Ozono M, Watanabe A, Maeda K, Nara A, Hashida M, Ido Y, Hiroshima Y, Yamada A, Terada H, Shinohara Y.
    Functional analysis of coiled-coil domains of MCU in mitochondrial calcium uptake.
    Biochim Biophys Acta. 1860: 148061 (2019)
  2. Yamamoto T, Tsunoda M, Ozono M, Watanabe A, Kotake K, Hiroshima Y, Yamada A, Terada H, Shinohara Y.
    Polyethyleneimine renders mitochondrial membranes permeable by interacting with negatively charged phospholipids in them.
    Arch Biochem Biophys. 652: 9-17 (2018)
  3. Hiroshima Y, Yamamoto T, Watanabe M, Baba Y, Shinohara Y.
    Effects of cold exposure on metabolites in brown adipose tissue of rats.
    Mol Genet Metab Rep. 15: 36-42 (2018)
  4. Yamagoshi R, Yamamoto T, Hashimoto M, Sugahara R, Shiotsuki T, Miyoshi H, Terada H, Shinohara Y.
    Identification of amino acid residues of mammalian mitochondrial phosphate carrier important for its functional expression in yeast cells, as achieved by PCR-mediated random mutation and gap-repair cloning.
    Mitochondrion. 32:1-9 (2017)
  5. Yamamoto T, Yamagoshi R, Harada K, Kawano M, Minami N, Ido Y, Kuwahara K, Fujita A, Ozono M, Watanabe A, Yamada A, Terada H, Shinohara Y.
    Analysis of the structure and function of EMRE in a yeast expression system.
    Biochim Biophys Acta. 1857:831-9 (2016)
  6. Yamamoto A, Hasui K, Matsuo H, Okuda K, Abe M, Matsumoto K, Harada K, Yoshimura Y, Yamamoto T, Ohkura K, Shindo M, Shinohara Y.
    Bongkrekic acid analogue, lacking one of the carboxylic groups of its parent compound, shows moderate but pH-insensitive inhibitory effects on the mitochondrial ADP/ATP carrier.
    Chem Biol Drug Des. 86:1304-22 (2015)

スタッフ

助教：伊藤 剛

2016年　日本学術振興会 特別研究員DC2
2018年　京都大学大学院農学研究科 博士課程修了 博士（農学）
2018年　Rensselaer Polytechnic Institute
　　　 　Center for Biotechnology and Interdisciplinary Sciences
　 　　　Postdoctoral Research Associate
2020年　徳島大学先端酵素学研究所 助教

技術補佐員：小野寺麻那

2019年　現職