東北大学加齢医学研究所 加齢医学研究拠点 | Institute of Development, Aging and Cancer, Tohoku University

研究活動

遺伝子情報研究分野

教授 医博 田村 眞理
准教授 医博 平賀 章
准教授 医博 小林 孝安
教育研究支援者   永浦 裕子
事務補佐員   佐藤 由紀
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研究活動と成果の概要
 当研究分野では、高次細胞機能の制御機構について、細胞内シグナル伝達の視点に立った研究を行っている。具体的には、1.プロテインホスファターゼ2Cによる細胞機能の制御機構の解明、2.メカニカルストレスによる骨組織リモデリングの分子機構、3.微小管構成分子によるPP1、PP2Aの制御機構を主要なプロジェクトとして研究を進めている。
  1. プロテインホスファターゼ2Cによる細胞機能の制御機構

    タンパク質は細胞機能の制御を担う主役であるが、多くのタンパク質が多様な翻訳後修飾により機能調節を受けることが知られている。リン酸化反応は翻訳後修飾の一つであり、タンパク質のリン酸化レベルは、プロテインキナーゼによるリン酸化反応とプロテインホスファターゼによる脱リン酸化反応のバランスによって規定される。ゲノムプロジェクトにより、ヒト細胞は約450種類のプロテインキナーゼ遺伝子と約160種類のプロテインホスファターゼ遺伝子を持つことが推定されている。

    当研究室が研究の対象としているプロテインホスファターゼ2C (PP2C)は、真核細胞に広く保存されているタンパク質セリン・スレオニンホスファターゼファミリーの一つであり、ヒト細胞には14種類のPP2C遺伝子が存在する。主要なタンパク質セリン・スレオニンホスファターゼファミリーとしては、他にPP1、PP2A及びPP2Bが存在するが、これら三つのファミリーは、分子進化上、同じ起源に由来するのに対し、PP2Cはこれらとは異なったユニークな起源を持つことが特徴の一つである。また、PP1、PP2A及びPP2Bがいずれも、調節サブユニットと活性サブユニットから構成されるオリゴメリック酵素であるのに対し、PP2Cはモノメリック酵素で、活性タンパク質のサイズ(40-80 kDa)がPP1、PP2A及びPP2Bの活性サブユニットのそれら(30-35 kDa)よりも大きいという特徴がある。これらのことから、1)PP2Cはファミリーとしてユニークな細胞内機能を持つこと、2)個々のPP2Cファミリーメンバーは、活性ドメインに加えて、活性調節ドメインや細胞内局在を規定するドメインをも内蔵し、多様な機能性制御を受けることが予想された。当研究室では、これらの点の解明を含めて、PP2Cファミリーの生理的な役割の解明を目的に、研究を進めてきた。

    これまで四つの新規のファミリーメンバー (PP2Cα、PP2Cε、PP2Cζ及びPP2Cη)のcDNAのクローニングと、それらの機能解析を中心に研究を進めた結果、PP2Cα、PP2Cβ、PP2Cε及びPP2Cηが、ストレス応答性プロテインキナーゼ (SAPK)シグナル伝達経路の抑制因子としての役割を担うことを見出し、PP2Cβ、PP2Cε及びPP2Cηについては、細胞内基質の同定に成功した(図1)。SAPK シグナル伝達経路は、環境ストレスや炎症性サイトカインによって活性化され、細胞のストレス応答や炎症反応を惹起するシグナル伝達経路であり、複数のPP2Cファミリーメンバーがその制御に関わることは、PP2Cがファミリーとして細胞の危機管理を担うという機能上の特徴を持つ事を示唆していると思われる。また、PP2Cεが固有の疎水性領域により、小胞体膜に局在するという知見を得た(図2)。さらには、PP2Cζが分子内に活性調節ドメインを内蔵しており、環境ストレスによって活性化されたSAPKにより、活性調節ドメインがリン酸化され、不活性化されることを見出した(図1)。これらの成果は、PP2Cが活性ドメインに加えて、活性調節ドメインや細胞内局在を規定するドメインをも内蔵するとの先の仮説を支持するものである。

    PP2Cεの研究では、最近、さらに新しい展開があり、この分子が小胞体上でセラミド輸送タンパク質を脱リン酸化して活性化させ、セラミドの小胞体からゴルジ体への輸送を促進し、ゴルジ体での糖脂質の生成を促すという新規の役割をも担うことを実証した(図2)。プロテインキナーゼとプロテインホスファターゼの遺伝子数の違いから、プロテインホスファターゼには広い基質特異性を持つ分子種が存在することが予想されていたが、今後、PP2Cεが固有の分子進化を遂げるとともに、多重基質特異性を獲得したことの生物学的意義を明らかにできるものと考えている。

      


  2. メカニカルストレスによる骨組織リモデリングの分子機構  

    生体内においては様々な組織が、それぞれメカニカルストレスに対し固有の応答反応を示すことが知られている。特に骨組織では、メカニカルストレスと代謝活性に強い関連性があり、骨組織への適度のメカニカルストレスの負荷が、骨芽細胞の増殖、分化及び骨基質の産生を誘導し、骨のリモデリングに重要な役割を果たすことがわかってきた。しかしながら、メカニカルストレスがどのような機構で、骨芽細胞の形質発現を誘導するのかは明らかにされていなかった。そこで、当研究室ではメカニカルストレスとSAPKシグナル伝達経路の関係に的を絞って研究を進めてきた。

    これまでの研究で、培養骨芽細胞に加える伸展ストレスが、SAPKシグナル伝達経路を活性化することを見出し、その活性化の分子機構(Ca2+の流入―ROS―ASK1―MKK―SAPK)を解明した。さらに、骨芽細胞内では、SAPKシグナル伝達経路の下流で、サイトカインTWEAKの受容体であるFN14の発現や、ケモカインMCP-3の発現と分泌が誘導されることを見出した(図3)。それらの事象が協調的に作用して、結果的に骨組織のリモデリングを引き起こすことを示唆する結果を得て、現在、詳細な解析を進めている。


    図3


  3. 微小管構成分子によるPP1、PP2Aの制御機構

    MT-PP1 活性に作用する分子として、微小管の主要構成分子であるチュブリンとクラスリンの軽鎖 b(CLb)が同定された。チュブリンは MT-PP1 の他、別種のプロテインホスファターゼPP2A1 にも作用し、EC50 はそれぞれ 1,5 μM と4.5 μM で、その細胞内濃度で効果を示す。CLb はPP2A には作用を示さず、またPP1の中でもγ型(類似の)分子に選択性を示すEC50 1 nM の強い制御分子である。CLbには数百倍作用強度の異なる2種類の分子型がある。


研究業績(2001年以降)
著書

Tamura S, Li MG, Komaki K, Sasaki M, Kobayashi T Roles of mammalian protein phosphatase 2C family members in the regulation of cellular functions in Topics in Current Genetics : Protein Phosphatases, eds. Arino J, Alexander D.R. (Springer-Verlag, Heidelbeg) 2004, pp.91-105.

Matsui H, Fukuno N, Suzuki O, Takeda K, Ichijo H, Kobayashi T, Tamura S, Sasaki K. Mechanical Stress modulates bone remodeling signals. Interface Oral Health Science 2009. (Editors. Sasano T, Suzuki O, Stashenko P, Sasaki K, Takahashi N. ) Springer (2010) 129-132.

英文論文
  1. Shinoda Y, Fujita K, Saito S, Matsui H, Kanto Y, Nagaura Y, Fukunaga K,Tamura S, Kobayashi T. Acyl-CoA binding domain containing 3 (ACBD3) recruits the protein phosphatase PPM1L to ER-Golgi membrane contact sites.
    FEBS Lett. in press
  2. Miyagi T, Kikuchi K, Tamura S.(Reflection and Perspectives) Shigeru Tsuiki: a pioneer in the research fields of complex carbohydrates and protein phosphatase.J.
    Biochem. 150 (2011) 483-490.
  3. Fukuno N, Matsui H, Kanda Y, Suzuki O, Matsumoto K, Sasaki K, Kobayashi T, Tamura S. TGF-β-activated kinase 1 mediates mechanical stress-induced IL-6 expression in osteoblasts.
    Biochem Biophys Res Commun. 408 (2011) 202-207.
  4. Kudo T, Kanetaka H, Watanabe A, Okumoto A, Asano M, Zhang Y, Zhao F, Kano M, Shimizu Y, Tamura S, Hayashi H. Investigating bone morphogenetic protein (BMP) signaling in a newly established human cell line expressing BMP receptor type II.
    Tohoku J. Exp. Med. 222 (2010) 121-129.
  5. Henmi T, Amano K, Nagaura Y, Matsumoto K, Echigo S, Tamura S, Kobayashi T. A mechanism for the suppression of interleukin-1-induced nuclear factor κB activation by protein phosphatase 2Cε-2.
    Biochem J. 423 (2009) 71-78.
  6. Awano, K., Amano, K., Nagaura, Y., Kanno, S., Echigo, S., Tamura, S. & Kobayashi, T. Phosphorylation of protein phosphatase 2Czeta by c-Jun NH2-terminal kinase at Ser92 attenuates its phosphatase activity.
    Biochemistry, 47(2008) 7248-7255.
  7. Saito, S., Matsui, H., Kawano, M., Kumagai, K., Tomishige, N., Hanada, K., Echigo, S., Tamura, S. & Kobayashi, T. Protein phosphatase 2Cepsilon is an endoplasmic reticulum integral membrane protein that dephosphorylates the ceramide transport protein CERT to enhance its association with organelle membranes.
    J. Biol. Chem. 283 (2008) 6584-6593.
  8. Saito, J., Toriumi, S., Awano, K., Ichijo, H., Sasaki, K., Kobayashi, T. & Tamura, S.Regulation of apoptosis signal-regulating kinase 1 by protein phosphatase 2Cepsilon.
    Biochem. J. 405 (2007) 591-596.
  9. Sasaki, M., Ohnishi, M., Tashiro, F., Niwa, H., Suzuki, A., Miyazaki, J., Kobayashi, T. & Tamura, S. Disruption of the mouse protein Ser/Thr phosphatase 2Cbeta gene leads to early pre-implantation lethality.
    Mech. Dev. 124 (2007) 489-499.
  10. Tamura, S., Toriumi, S., Saito, J., Awano, K., Kudo, T. & Kobayashi, T. PP2C family members play key roles in regulation of cell survival and apoptosis.
    Cancer Sci. 97 (2006) 563-567.
  11. Hiraga, A., Morrice, N., Honda, E., Tamura, S. & Munakata, H. Clathrin light chain b is capable of affecting potently a major protein phosphatase from microtubules (MT-PP1)
    FEBS Lett. 580 (2006) 1425-1430.
  12. Takeuchi, T., Kobayashi, T., Tamura, S. & Yokosawa, H. Negative regulation of protein phosphatase 2Cbeta by ISG15 conjugation.
    FEBS Lett. 580 (2006) 4521-4526.
  13. Maki, K., Motoki, R., Fujii, K., Kanai, M., Kobayashi, T., Tamura, S. & Shibasaki, M. Catalyst-controlled asymmetric synthesis of fostriecin and 8-Epi -fostriecin.
    J. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 17111-17117.
  14. Brautigan, D.L., Brown, M., Grindrod, S., Chinigo, G., Kruszewski, A., Lukasik, S., Bushweller, J.H., Horal, M., Keller, S., Tamura, S., Heimark, D.B., Price, J., Larner, A.N., & Larner, J. Allosteric activation of protein phosphatase 2C by Mn2+D-chiro-inositol-galactosamine, a putative mediato-mimetic of insulin action.
    Biochemistry. 44 (2005) 11067-11703.
  15. Akiyama, S., Yonezawa, T., Kudo, T., Li, M.G., Wang, H., Ito, M., Yoshioka, K., Ninomiya-Tsuji, J., Matsumoto, K., Kanamaru, R., Tamura, S. & Kobayashi, T. Activation mechanism of c-Jun amino-terminal kinase in the course of neural differentiation of P19 embryonic carcinoma cells.
    J. Biol. Chem. 279 (2004) 36616-36620.
  16. Yoshizaki, T., Maegawa, H., Egawa, K., Ugi, S., Nishio, Y., Imamura, T., Kobayashi, T., Tamura, S., Olefsky, J.M. & Kashiwagi, A. Protein phosphatase 2Calpha as a positive regulator of insulin sensitivity through direct activation of phosphatidylinositol 3-kinase in 3T3-L1 adipocytes. 
    J. Biol. Chem. 279 (2004) 22715-22726.
  17. Yamamoto, T., Yamato, E., Tashiro, F., Sato, T., Noso, S., Ikegami, H., Tamura, S., Yanagawa, Y. & Miyazaki, J-I. Development of autoimmune diabetes in glutamic acid decarboxylase 65 (GAD65) knockout NOD mice.
    Diabetologia. 47 (2004) 221-224.
  18. Komaki, K., Katsura, K., Ohnishi, M., Li, M.G., Sasaki, M., Watanabe, M., Kobayashi, T. & Tamura, S. Molecular cloning of PP2Ceta, a novel member of the protein phosphatase 2C family.
    Biochim. Biophys. Acta. 1630 (2003) 130-137.
  19. Li, M.G., Katsura, K., Nomiyama, H., Komaki, K., Ninomiya-Tsuji, J., Matsumoto, K., Kobayashi, T. & Tamura, S. Regulation of the interleukin-1-induced signaling pathways by a novel member of the protein phosphatase 2C family (PP2Cepsilon).
    J. Biol. Chem. 278 (2003) 12013-12021.
  20. Kudo, T., Sakamoto, Y., Tamura, S. & Kobayashi, T. Activation mechanism of c-Jun amino-terminal kinase in the course of endodermal differentiation of P19 embryonic carcinoma cells.
    FEBS Lett. 539 (2003) 29-33.
  21. Kashiwaba, M., Katsura, K., Ohnishi, M., Sasaki, M., Tanaka, H., Nishimune, Y.,, Kobayashi T Tamura S. A novel protein phosphatase 2C family member (PP2Czeta) is able to associate with ubiquitin conjugating enzyme 9.
    FEBS Lett. 538 (2003) 197-202.
  22. Kobayashi, T., Ebihara, S., Ishii, K., Kobayashi, T., Nishijima, M., Endo, S., Takaku, A., Sakagami, H., Kondo, H., Tashiro, F., Miyazaki, J., Obata, K., Tamura, S. & Yanagawa Y. Structural and functional characterization of mouse glutamate decarboxylase 67 gene promoter.
    Biochim. Biophys. Acta. 1628 (2003) 156-168.
  23. Tamura, S., Hanada, M., Ohnishi, M., Katsura, K., Sasaki, M., & Kobayashi, T. Regulation of stress-activated protein kinase signaling pathways by protein phosphatases.
    Eur. J. Biochem. review, 269 (2002) 1060-1066.
  24. Hanada, M., Ninomiya-Tsuji, J., Komaki, K., Ohnishi, M., Katsura, K., Kanamaru, R., Matsumoto, K. & Tamura, S. Regulation of the TAK1 signaling pathway by protein phosphatase 2C.
    J. Biol. Chem. 276 (2001) 5753-5759.
  25. Higuchi T, Tamura S, Tanaka K, Takagaki K, Saito Y & Endo M. Effects of ATP on regulation of galactosyltransferase-I activity responsible for synthesis of the linkage region between the core protein and glycosaminoglycan chains of proteoglycans.
    Biochem. Cell. Biol. 79 (2001) 159-64.
  26. Wang, H., Ikeda, S., Kanno, S-i., Li, M. G., Ohnishi, M., Sasaki, M., Kobayashi, T. & Tamura, S. Activation of c-Jun amino-terminal kinase is required for retinoic acid-induced neural differentiation of P19 embryonal carcinoma cells.
    FEBS Lett. 503 (2001) 91-96.

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