"Protein Folding" and Disease

タンパク質フォールディングとヒト疾患

Proteins can perform their distinct physiological functions by assuming their own unique structures/conformations (protein folding). When a protein fails to adopt such a correctly folded structure (protein misfolding), proteins often self-assemble and form highly insoluble "aggregates". Abnormal accumulation of protein aggregates in the brain and neurons has been observed as a major pathological change in many of neurodegenerative diseases. In order to develop cures for those devastating diseases, we are trying to understand why and how proteins misfold and become aggregated.

タンパク質はある特定の立体構造を形成することで(フォールディング)、その生理機能を発揮します。しかし、うまくフォールドできないと(ミス フォールディング)、自己会合して不溶性の凝集体を形成することがしばしば報告されています。興味深いことに、神経変 性疾患患者の脳神経組織には、タンパク質の不溶性凝集体が異常に蓄積していることが知られています。私たちは、タンパク質がなぜ、どのように、ミスフォールドして凝集する のか、そのメカニズムを明らかにし、神経変性疾患の治療法開発に貢献します。

Our Scientific Contributions

科学への私たちの貢献

Since the launch of our lab in 2010, more than 20 undergraduates/graduates have been involved in the research to understand the relevance of the protein folding in maintaining our physiological processes.  In particular, the pathogenesis of the conformational diseases such as neurodegenerative disorder is one of the research targets in our Lab.  After or even during the translation of the mRNA transcripts, the polypeptide is known to start forming its unique three-dimensional structure.  Such structural maturation process or called "folding process" is essential for the protein to exert its physiological function like various enzymatic reactions.  Indeed, disruption of the protein folding process result in the abnormal accumulation of "mis"-folded proteins, which is one of the major pathological hallmarks in neurodegenerative diseases.  In our Lab, we have focused upon the folding/misfolding process of Cu/Zn-superoxide dismutase (SOD1) and attempted to understand and find cures for the neurodegenerative disease, amyotrophic lateral sclerosis (ALS).

私たちの研究室は2010年にスタートし、20名以上の学部生や大学院生がタンパク質のフォールディング(構造形成)に関する研究を進めていま す。タンパク質フォールディングは様々な生命現象を制御しており、その異常は様々な疾患の原因となります。例えば、アルツハイマー病に代表される 多くの神経変性疾患では、フォールディングがうまくいかずに「ミスフォールド」したタンパク質が、病変部位である脳・神経組織に異常に蓄積するこ とが知られています。しかし、タンパク質がどのようにミスフォールドするのか、どのようなミスフォールド構造が脳・神経に対して毒性を発揮するの か、その詳細な分子病理は明らかではありません。そこで、銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ(SOD1)のフォールディング機構を明らかに し、SOD1の構造形成異常が引き起こす神経変性疾患、筋萎縮性側索硬化症(ALS)の病理解明、及び、治療法開発に貢献したいと考えています。

Recent Achievement(最近の研究成果)

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"Immunochemical characterization on pathological oligomers of mutant Cu/Zn-superoxide dismutase in amyotrophic lateral sclerosis"

Tokuda et al., Molecular Neurodegeneration, 2017, 12, 2


A familial form of amyotrophic lateral sclerosis with SOD1 mutation (SOD1-ALS) is characterized by abnormal accumulation of misfolded SOD1 proteins in spinal motor neurons.  We previously reported that mutant SOD1 in vitro formed the oligomers cross-linked via disulfide bonds (S-S oligomers); however, the pathological relevance of such oligomerization in the SOD1-ALS cases still remains obscure.  To test if S-S oligomers form in the SOD1-ALS patients, we prepared the antibody specifically recognizing the S-S oligomers by immunizing rabbits with the S-S oligomers in vitro.  Immunochemical examination of SOD1-ALS patients as well as ALS model mice was performed by using our antibody recognizing S-S oligomers.  We found that the SOD1 oligomerization through the disulfide-crosslinking associates with exposure of the SOD1 structural interior and is a pathological process occurring in the SOD1-ALS cases.


SOD1遺伝子の変異が原因となって発症するALS(SOD1-ALS) では、SOD1タンパク質の分子内に形成するはずのジスルフィド結合が分子間に形成することで、SOD1の異常なオリゴマー化が進行すること を私たちは提案しています(JBC 2013 288 4970)。しかし、分子間ジスルフィド結合によってクロスリンクされたSOD1オリゴマー(S-Sオリゴ マー)が、SOD1-ALS患者やALSモデルマウスにおいて本当に形成するのか、明らかではありませんでした。本研究で は、S-Sオリゴマーを特異的に認識する抗体の作製に成功し、SOD1-ALS患者やALSモデルマウスの組織を免疫化学 的な手法により検討したところ、病変部位である脊髄の前角領域にS-Sオリゴマーが形成していることを初めて見いだしました。S-Sオリゴ マーを認識する抗体は、フォールド型SOD1の内部に埋もれた領域と相互作用することから、SOD1はS-Sオリゴマーを形成する際に大きく その構造を変化させることが分かりました。

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"A misfolded dimer of Cu/Zn-superoxide dismutase leading to pathological oligomerization in amyotrophic lateral sclerosis"

Anzai et al., Protein Science, 2017, 26, 484


Pathogenic mutations have been proposed to monomerize SOD1 normally adopting a homodimeric configuration and then trigger abnormal oligomerization of SOD1 proteins. Here, we show that, around the body temperature (∼37 oC), mutant SOD1 maintains a dimeric configuration but lacks most of its secondary structures. Also, such an abnormal SOD1 dimer with significant structural disorder was prone to irreversibly forming the oligomers cross-linked via disulfide bonds. The disulfide-crosslinked oligomers of SOD1 were detected in the spinal cords of the diseased mice expressing mutant SOD1. We hence propose an alternative pathway of mutant SOD1 misfolding that is responsible for oligomerization in the pathologies of the disease.


私たちは、SOD1-ALSに見られる変異SOD1タンパク質の ミスフォールディングについて研究を進めており、SOD1に変異が導入されると、本来は分子内に形成するはずのジスルフィド結合が分子間に形 成し、SOD1の異常なオリゴマー化が進行することを明らかにしてきました(JBC 2013 288 4970)。しかし、疾患の原因となる変異が、なぜオリゴマー化につながるのか、その詳細なメカニズムが明ら かでありませんでした。本研究では、円二色性分光(CD)、及び、X線小角散乱(SAXS)を主に駆使することで、オリゴマー化の前駆体とな るSOD1の構造的特徴を明らかにしました。その結果、アミノ酸変異がSOD1構造を不安定化し、「二次構造を失った二量体」という特異な構 造体を形成することで、オリゴマー化を促進することが分かりました。

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"Screening of drugs inhibiting in vitro oligomerization of Cu/Zn-superoxide dismutase with a mutation causing amyotrophic lateral sclerosis"

Anzai et al., Frontiers in Molecular Biosciences, 2016, 3, Article 40


A major pathological hallmark of SOD1-ALS is abnormal accumulation of mutant SOD1 oligomers in the affected spinal motor neurons. While no effective therapeutics for SOD1-ALS is currently available, SOD1 oligomerization will be a good target for developing cures of this disease. In this paper, we screened 640 FDA-approved drugs for inhibiting the oligomerization of SOD1 proteins, and three effective classes of chemical compounds were identified. Those hit compounds will provide valuable information on the chemical structures for developing a novel drug candidate suppressing the abnormal oligomerization of mutant SOD1 and possibly curing the disease.


SOD1遺伝子の変異が原因となって発症する家族性の筋萎縮性側索硬化症(SOD1-ALS) では、変異型SOD1タンパク質の異常なオリゴマー化が見られます。特に、変性が強く見られる脊髄運動ニューロンにおいて、SOD1のオリゴ マー化が進行していると考えられることから、私たちは640種類のFDA認可薬の中からSOD1のオリゴマー化を抑制できる薬剤の探索を行な いました。その結果、主に3種類の薬剤を見いだすことができました。本研究で見いだした薬剤が、SOD1-ALSの治療薬 としてすぐに使用できる訳ではありませんが、 SOD1-ALSの発症や病態進行の理解に貢献できるのではないかと期待 しています。

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"Aggregation of FET Proteins as a Pathological Change in Amyotrophic Lateral Sclerosis"

Furukawa and Tokuda, Advances in Experimental Medicine and Biology, 2016, DOI: 10.1007/5584_2016_32


Recently, FUS, which is a member of the FET protein family, was found to be linked to familial forms of amyotrophic lateral sclerosis, ALS. Soon later, mutations in the other proteins in this protein family, EWRS and TAF15, were also found to be causative of ALS. We have thus reviewed recent studies including ours on possible roles of high aggregation propensities of FET proteins in the ALS pathomechanism.


家族性の筋萎縮性側索硬化症ALSの原因として、FETタンパク質ファミリーの一員 であるFUSの遺伝子変異が近年に同定されました。その 後、興味深いことに、同じタンパク質ファミリーに属するEWRSやTAF15の遺伝子変異もALS発症の原因となることが報告されました。そこで、FETタンパク質ファミ リーに共通して見られる高い凝集性とALS発症メカニズムについて、私たちのこれまでの研究も含めて、近年の研究状況をまとめました。

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"Copper Homeostasis as a Therapeutic Target in Amyotrophic Lateral Sclerosis with SOD1 Mutations"

Tokuda and Furukawa, International Journal of Molecular Sciences, 2016, 17, 636


It has long been suggested that intracellular metabolism of copper ions is important in understanding the pathomechanism of ALS, because one of the causative gene for ALS is coding Cu/Zn-superoxide dismutase, a copper binding protein.  Dr. Tokuda has recently characterized abnormal accumulation of copper ions in spinal cord of mice expressing mutant SOD1.  Besides, administration of a certain form of copper complex has been reported to be ameliorating the disease phenotype.  We thus review in this report the current status of the pathological and pharmacological relationship between copper and SOD1-related ALS.


神経変性疾患ALSの原因遺伝子の一つであるSOD1は、銅イオンを結合するタンパ ク質であることから、SOD1への変異が細胞内の銅イオ ン代謝に悪い影響を与えているのではないかと、長年提案されてきました。実際、当研究室の助教である徳田さんは、モデルマウスを使った実験により、ALSの病変部位である 脊髄では銅イオン濃度が異常に高くなっていることを最近に示しています。一方で、別の研究グループからは、ある種の銅イオン錯体をモデルマウ スに投与することで、ALS様の症状が改善することも報告しています。そこで、SOD1の関与したALSと銅イオンとの関連をレビューにして まとめました。

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"Conformational Disorder of the Most Immature Cu,Zn-Superoxide Dismutase Leading to Amyotrophic Lateral Sclerosis"

Furukawa et al, The Journal of Biological Chemistry, 2016, 291, 4144


In this study, which was a nice collaborative work with Prof. Akiyama group in IMS, we examined the conformation(s) of misfolded SOD1 by small-angle X-ray scattering technique as well as several spectroscopic methods.  The misfolded conformations were quite distinct from those of the native one and characterized by significant disorder at the loop regions.  Based upon the results of this study, the drugs suppressing the loop disorder will be developed and tested for their efficacy curing ALS.


SOD1タンパク質のミスフォールディング(構造異常)は神経変性疾患ALSに見ら れる主要な病理学的変化ですが、どのように構造が異常となるのかは議論の的です。私たちは、分子科学研究所の秋山さんとの共同研究で、X線小 角散乱という実験手法を用いて、ミスフォールド型 SOD1の構造的特徴を捉えました。天然構造とは大きく異なり、特に、ループと呼ばれる構造部位が大きく異なっていることを明らかにしました。

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"A Molecular Mechanism Realizing Sequence-specific Recognition of Nucleic Acids by TDP-43"

Furukawa et al, Scientific Reports, 2016, 6, 20576


In this study, a molecular mechanism of how TDP-43 protein recognizes nucleotides with specific sequences has been proposed.  TDP-43 is a DNA/RNA-binding protein, and its misfolding has been reported in ALS.  TDP-43 has two RNA-recognition motifs (RRMs) in its sequence.  We have found that the spatial arrangement of those two RRMs is required for sequence-specific binding of RNA.  Misfolding of TDP-43 affecting the arrangement of RRMs will be pathogenic for ALS.


TDP-43と呼ばれるRNA/DNA結合タンパク質は、SOD1と同様に、神経変 性疾患ALSの原因となりうるタンパク質として知られています。TDP-43は、ある特定の塩基配列のRNAだけを認識することが知られてい ますが、なぜ、認識配列に特異性が出てくるのか明らかではありませんでした。私たちは、TDP-43が有する二つのRNA結合部位に着目し、 それらの空間的な配置が、特異性の発現を制御していることを明らかにしました。

Members of Our Lab

研究室のメンバー

We welcome Ph.D. candidates from other universities and other countries.  Please e-mail me (furukawa@chem.keio.ac.jp).
他大学や外国からの学生も受け入れることが可能です。まずは古川宛(furukawa@chem.keio.ac.jp)にメールください。


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Current Members

<教員>
Associate Prof. Yoshiaki Furukawa(古川 良明 准教授)
Assistant Prof. Eiichi Tokuda(徳田 栄一 助教)

<学生>
D1 Itsuki Anzai(安齋 樹 博士2年)
M1 Ayano Toba(鳥羽 綾乃 修士1年)
M1 Kouki Yoshida(吉田 昂生 修士1年)
B4 Tomoaki Hagai(羽飼 友昭 学部4年)
B4 Kyoka Matsumoto(松本 響佳 学部4年)
B4 Hiroki Morita(森田 大輝 学部4年)
B4 Yukihiro Yamashita(山下 幸宏 学部4年)


Alumni

<学部卒>
Kana Tsujimoto(辻本 佳奈)(2011.4 - 2012.3)
Saki Katoh(加藤 紗希)(2012.4 - 2013.3)
Masahiro Shimidzu(清水 将裕)(2012.4 - 2013.3)
Yuko Nishiura(西浦 由紘)(2013.4 - 2014.3)
Kouhei Nakamura(中村 滉平)(2016.4 -2017.3)
Sumika Handa(半田 純夏)(2016.4 - 2017.3)

<修士卒>
Keisuke Toichi(東一 圭祐)(2010.4 - 2013.3)
Kazuki Honda(本田 一起)(2011.4 - 2013.3)
Yasushi Mitomi(三冨 康司)(2010.4 -2013.3)
Yasuyuki Sakurai(櫻井 靖之)(2011.4 - 2014.3)
Yoh Suzuki(鈴木 陽)(2011.4 - 2014.3)
Mariko Ogawa(小川 まり子)(2012.6 - 2015.3)
Kenta Nakagome(中込 健太)(2013.4 - 2016.3)
Yuma Wakahara(若原 裕磨)(2013.4 - 2016.3)
Kyohei Onose(小野瀬 恭平)(2014.4 - 2017.3)
Teppei Kokubo(小久保 鉄平)(2014.4 - 2017.3)
Kennichi Nagasawa(長澤 健一)(2014.4 - 2017.3)
Mami Fukuoka(福岡 真実)(2014.4 - 2017.3)

<教員>
Takao Nomura(野村 尚生)(2011.4 - 2013.8)

Access

研究室へのアクセス

The nearest station from our Lab (in Yagami Campus of Keio University) is Hiyoshi Sta. of Tokyu Toyoko-line.
研究室(慶應義塾大学矢上キャンパス)の最寄駅は東急東横線の「日吉」駅です。

Approximately 15 min. walk from Hiyoshi Sta. (see the following map) will take you to our Yagami Campus.
日吉駅から歩いて約15分で(下の地図を参考に)矢上キャンパスに着きます。


Our Lab is Rm. #308B in the 22nd building.
研究室は22棟308Bにあります。


E-mail: furukawa@chem.keio.ac.jp
TEL: 045-566-1807
FAX: 045-566-1697