"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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"An essential role of N-terminal domain of copper chaperone in the enzymatic activation of Cu/Zn-superoxide dismutase"

Fukuoka et al., Journal of Inorganic Biochemistry, 2017, 175, 208-216


Cu/Zn-superoxide dismutase (SOD1) is an enzyme that disproportionates superoxide anion into hydrogen peroxide and molecular oxygen. The enzymatic activity of SOD1 requires the binding of copper and zinc ions and also the formation of a conserved intramolecular disulfide bond. In a eukaryotic cell, a copper chaperone for SOD1 (CCS) has been known to supply a copper ion and also introduce the disulfide bond into SOD1; however, a mechanism controlling the CCS-dependent activation of SOD1 remains obscure. Here, we characterized CCS isolated from a human liver fluke, Clonorchis sinensis, and found that an N-terminal domain of CCS was essential in supplying a copper ion in SOD1. Regardless of the presence and absence of the N-terminal domain, CCS was able to bind a cuprous ion at the CxC motif of its C-terminal domain with quite high affinity (Kd ~ 10−17). The copper-bound form of full-length CCS successfully activated C. sinensis SOD1, but that of CCS lacking the N-terminal domain did not. Nonetheless, the N-terminally truncated CCS with the bound copper ion was found to correctly introduce the disulfide bond into SOD1. Based upon these results, we propose that the N-terminal domain of CCS has roles in the release of the copper ion bound at the C-terminal domain of CCS to SOD1.


SOD1はスーパーオキサイドを過酸化水素と酸素分子に不均化する反応を触媒する酵 素ですが、その活性中心には銅イオンを結合する必要があります。しかし、銅イオン単体は酸素分子と反応して活性酸素を生み出して、DNAや膜 に酸化的な障害を加えるために、毒性の高い物質としても知られています。実際、細胞内に存在できる銅イオンの総量は厳密に制御されており、さ らには、細胞内の銅イオンは何らかの生体分子と結合して、その毒性が抑えられた状態で存在しているとされています。つまり、SOD1のよう に、酵素活性の発現のために銅イオンを必要とするタンパク質にとっては、細胞内で銅イオンをうまく確保する必要があります。多くの真核生物で は、銅イオンを運ぶ「銅シャペロン」というタンパク質が、銅イオンを細胞内タンパク質に配給しています。SOD1の場合にはCCSと呼ばれる 銅シャペロンが作用します。CCSは3つのドメインからなるタンパク質ですが、N末端側のドメイン1がどのような役割を果たしているのかよく わかっていませんでした。そこで、ヒト、出芽酵母、そして、肝吸虫(C. sinensis)と呼ばれる寄生虫のCCSの反応性を比較することで、CCSのドメイン1は CCSに結合した銅イオンを 「離す」ために必要ではないかと提案しています。



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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, Article No. 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, 484-496


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。



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