研究概要
ユビキチン・プロテアソーム系（UPS）は異常なタンパク質や役⽬を終えた機能タンパク質を選択的に分解することで、タンパク質恒常性（プロテオスタシス）の維持のみならず遺伝⼦発現、シグナル伝達など様々な細胞機能の制御に必須の役割を果たしています。
そのため、ストレスや遺伝⼦変異によるUPSの破綻は、神経変性疾患や⾃⼰免疫疾患、がんなどの様々な疾病を引き起こすこと、さらには個体⽼化とも密接に関連することがわかってきました。
⼀⽅、プロテアソーム阻害剤や標的タンパク質分解誘導剤PROTACなどUPS創薬が世界的に進展しております。しかしながら、UPSは⼤規模かつ複雑な⽣体防御システムであり、UPSの基本的な作動機構と⾼次での⽣理機能について我々の理解は⼗分とはいえず、またUPS創薬のターゲット分⼦や評価系も限られているのが現状です。
そこで、私たちの研究室では、質量分析や定量イメージングなどの⼿法を⽤いてUPSの基本的な分⼦メカニズムを解明すること、また、プロテアソーム病モデルマウスなどを⽤いた個体レベルでのプロテオスタシス研究を推進することで、UPS関連疾患の発症機構解明や創薬研究に貢献することを⽬指しています。
Subject of Research 1ユビキチン・プロテアソーム系の分子メカニズム解明
従来、ユビキチン化基質はプロテアソームにより直接識別され分解されると単純に考えられてきましたが、私たちは、ユビキチン選択的シャペロンp97（別称VCP、Cdc48）やシャトル分子RAD23Bなどがプロテアソーム基質の選別やプロテアソームへの輸送に重要であることを見出しました（Mol Cell 2017; Nat Commun 2018, 2019）。また、枝分かれした複雑なユビキチン鎖がプロテアソームによる分解を増強することを見出しています（PNAS2018; Mol Cell 2021）。
さらに、プロテアソームには多数の相互作用分子が存在するため、プロテアソームによるタンパク質分解は様々なレベルで厳密に制御されていることが示唆されています。そこで、現在、ユビキチン修飾の構造多様性（ユビキチンコード）、ユビキチン結合分子（デコーダー分子）、基質タンパク質について定量プロテオミクスによる網羅的解析とケミカルバイオロジーによる介入実験を組み合わせることで、本分解経路の分子ネットワークと作動機構の解明に挑戦しています。
Subject of Research 2プロテアソームの液-液相分離の生理的意義
プロテアソームは細胞質と核質に拡散して存在しますが、最近、私たちは高浸透圧ストレス刺激により、プロテアソームがユビキチン化基質とともに液－液相分離（LLPS: liquid-liquid phase separation）してタンパク質分解のための液滴を形成することを見出しました（Nature 2020）。 他のストレス刺激によってもプロテアソーム液滴が形成することを見出しており、ユビキチンとプロテアソームのLLPSは、ストレスにより攪乱されたプロテオスタシスを是正するための新たな細胞応答と考えられます。 このLLPSの異常は、さまざまな神経変性疾患において共通して観察されるユビキチン陽性封入体の形成と関連する可能性があるため、現在、人為的なユビキチン依存的LLPS誘導法の開発や各プロテアソーム液滴の分解基質について詳細な解析を進めています。
Subject of Research 3プロテアソーム病モデルマウスの解析
プロテアソームはプロテオスタシスの維持に中心的な役割を果たしているが、個体レベルでのプロテアソーム研究は大きく立ち遅れています。そこで最近、私たちは、自閉症患者より見出されたプロテアソーム遺伝子変異をもとに全身性のプロテアソーム機能減弱マウスを作製しました。
このプロテアソーム病モデルマウスを解析することで、プロテアソーム機能がどのライフステージで重要なのか、どの組織で大事なのか、さらにはプロテアソーム機能の低下が実際に神経変性疾患や老化を引き起こすのか？等の問いに答えることができると考えています。
Subject of Research 4成体神経幹細胞のプロテオスタシス維持と破綻
脳内に存在する神経幹細胞は一生涯にわたって神経細胞を作り出し、記憶や学習などのさまざまな脳機能に貢献します。しかし、大人の脳内に維持されている神経幹細胞のほとんどは増殖も分化もしない休眠（静止）状態にあります。
私たちのグループは、個体の脳組織内で神経幹細胞の「休眠」を制御している分子機構に興味を持って、研究活動を行っています。特に、タンパク質恒常性（プロテオスタシス）に着目し、細胞内の最終分解を行う細胞小器官であるリソソームが神経幹細胞の休眠を制御していること、神経幹細胞内のリソソームによるタンパク質分解活性が加齢や脳疾患によって大きく変動することを見出しています（Nat Commun 2019、他）。
参考⽂献・論⽂：
- Endo et al. J Cell Biol in press「USP8 によるエンドソームからのユビキチンシグナル制御」
- Kaiho-Soma et al. Mol Cell 2021「PROTAC 効果を増強するユビキチンリガーゼの発⾒」
- Yasuda, Tsuchiya, Kaiho, et al. Nature 2020「プロテアソームの液-液相分離の発⾒」
- Sato, Tsuchiya, Nat Commun 2019「p97 のユビキチン鎖認識機構の解明」
- Kobayashi et al. Nat Commun 2019「リソソームは神経幹細胞の休眠を制御する」
- Tsuchiya, Burana, et al. Nat Commun 2018「ユビキチン鎖の⻑さもコードである」
- Tsuchiya et al. Mol Cell 2017「プロテアソーム基質選別機構の解明」