糖鎖脱離酵素、PNGase の欠損が引き起こす病態の分子機構解明
Studies on the molecular mechanism of the pathology caused by the defect indeglycosylation enzyme (PNGase)（個人推薦）

代表研究者

理化学研究所

鈴木匡

RIKEN

Tadashi SUZUKI

協同研究者

理化学研究所

藤平

陽彦

RIKEN

Haruhiko FUJIHIRA

理化学研究所

黄RIKENChengcheng HUANG澄澄

The cytoplasmic peptide:N-glycanase (PNGase/Ngly1) is well conserved throughout eukaryotes, and evidence
suggest that it is involved in a quality control system for newly synthesized protein, a process called ER-associateddegradation (ERAD). Discovery of a human genetic disorder involving the human orthologue gene (NGLY1-deficiency)
demonstrates the importance of this protein. In this study, we aim to clarify the molecular mechanism ofpathophysiology of NGLY1-deficiency, and showed that the ablation of Ngly1 causes dysregulation of the ERAD
process. Interestingly, not only delayed degradation but also the deglycosylation of a misfolded glycoprotein wasobserved in Ngly1(-/-) mouse embryonic fibroblast (MEF) cells. The unconventional deglycosylation reaction was foundto be catalyzed by the cytosolic endo-β-N-acetylglucosaminidase (ENGase), generating aggregation-prone N-GlcNAc
proteins. Surprisingly, the ERAD dysregulation in cells lacking Ngly1 was found to be restored by the additional
knockout of ENGase gene. Thus, our study underscores the functional importance of Ngly1 in the ERAD process andprovides a potential mechanism underlying the phenotypic consequences of a newly emerging genetic disorder caused
by mutation of the human NGLY1 gene. Our study also strongly indicate that inhibitor for ENGase could be an attractive
drug target for the NGLY1-deficiency.

研究目的については最近まで不明であった。

細胞質ペプチド:N-グリカナーゼ（PNGase）は真核2012 年にヒトにおいてオルソログ遺伝子（NGLY1)生物に広く存在し、これまで小胞体におけるタンパの変異による遺伝疾患（NGLY1 欠損症）が報告されク質の品質管理機構に関わることが知られている

た(4)。その症状は全身的な生育遅延、四肢の筋力低(1,2)。即ち小胞体で出来た糖タンパク質のうち機能下、不随意運動や肝機能異常、脳波異常など全身的的なフォールディングをとれないようなタンパク質に重篤な症状を呈するものの、その病体発現のメカは細胞質に放出されて主にプロテアソームによってニズムは不明である(4-7)。そこで我々は、NGLY1 欠分解されるが（小胞体関連分解-ERAD-と呼ばれる）、損症を引き起こす分子メカニズムの解明に取り組ん

その過程で PNGase が変性タンパク質から N 型糖鎖だ。

を脱離し、プロテアソームによるタンパク質分解の効率を高めている、と考えられている。本酵素をコ研究経過ードする遺伝子は 2000 年に出芽酵母において初めまず PNGase の ERAD における機能を明らかにすて同定されたが(3)、その遺伝子欠損株が顕著な表現るために、出芽酵母によってすでに PNGase 依存的型を示さなかったこともあり、その生物学的重要性に分解される新しいモデル基質タンパク質（RTA）

を哺乳動物に発現させることで、小胞体関連分解モデルタンパク質の分解は正常に行われることが分（ERAD）の新規なアッセイ法を確立した。このアかった。以上の結果により、ENGase が特に Ngly1ッセイ法を用いて、Ngly1-KO マウス由来の胚性線維が機能不全の状況で糖タンパク質に直接作用し、芽細胞（MEF）においてこのモデルタンパク質の分N-GlcNAc タンパク質を生成することが明らかとな解過程を調べたところ、野性型マウス由来の MEFり、この現象が NGLY1 欠損症の病態発現に関わる可よりも分解が遅延することが明らかとなった。興味能性が示唆された。

深いことに、Ngly1-KO 細胞においてもそのモデルタンパク質の N 型糖鎖は脱離されており、その反応は考察

細胞質内の別の脱糖鎖酵素であるエンド-β-N-アセ

本研究によって Ngly1 タンパク質のタンパク質品

チルグルコサミニダーゼ(ENGase; (8))によって行わ質管理機構における重要性が明らかとなるとともに、れることが明らかとなった。細胞質 ENGase はこれ

ENGase の存在が Ngly1 欠損の病態につながり得るまで PNGase によって遊離された糖鎖の代謝に関わ可能性が示唆された。特に、最近のわれわれのマウると考えられてきたため(9)、この結果は予想外のもス表現型解析からも ENGase の阻害が Ngly1 の病態のであった。

改善に示す結果が得られつつあることから、ENGase

ENGase による糖鎖脱離は、PNGase と異なりタンの阻害剤は凝集体を作りやすい N-GlcNAc タンパク

パク質に N-アセチルグルコサミン(GlcNAc)一残基質の生成を抑え、NGLY1 欠損症に対する治療薬の有を残す（“N-GlcNAc タンパク質”の生成）。興味深

力な候補となり得ると期待できる。また現在様々ないことに、今回用いたモデルタンパク質においては組織特異的な KO マウスの詳細な解析にも取り組ん

ENGase の反応産物である N-GlcNAc タンパク質が細でおり、様々な組織における病態の詳細の解明にも胞内凝集体として蓄積し、結果分解が遅れることが今後取り組んでいきたい。

分かった（図）。一方驚いたことに、ENGase と Ngly1の両方を欠損した細胞を用いて同様の実験をすると、

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the Society for Glycobiology and the Japanese

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Society of Carbohydrate Research at Honolulu (HI),Suzuki, T. (2007) Sem. Cell Dev. Biol. 18, 762-769.

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T. Suzuki Analysis of Ngly1-KO mice. Grace Wilsey

Masahara-Negishi, Y., Seino, J., Fujihira, H.,

Foundation’s 1st Annual Scientific Conference atFunakoshi, Y., Suzuki, T., Dohmae, N., Suzuki, T.

Palo Alto (CA), USA. 2015 年 3 月 20 日（招待講(2015) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, 1398-1403.

演）
9.

Haruhiko Fujihira, Yuki Masahara-Negishi, Masaru

研究の発表

Tamura, Shigehar Wakana, Chengcheng Huang, Gen

口頭発表

Kondoh, ,Tadashi Yamashita, Yoko Funakoshi, and1.

2.

3.

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T. Suzuki Functional analysis of NGLY1 in mice.

Tadashi

ERAD defects in the cytoplasm. The NGLY1 story.

deglycosylating enzymes in mice. 2014 SFG &Rare Disease Day Symposium at La Jolla (CA),JSCR Joint Meeting Satellite Symposium II Glycans

USA. 2014 年 2 月 28 日(招待講演)

in Neuroscience at Honolulu (HI), USA. 2014 年 11T. Suzuki Peptide:N-glycanase and non-lysosomal月 16 日

6.

Physiological

functionsofdegradation of glycans: basic science meets a human

10. Chengcheng Huang, Yoichiro Harada, Akira Hosomi,genetic disease. Department Seminar at Molecular,Yuki Masahara-Negishi, Junichi Seino, Haruhiko

Cellular and Developmental Biology at University ofFujihira, Yoko Funakoshi, Takehiro Suzuki, Naoshi

Michigan at Ann Arbor (MI), USA. 2014 年 3 月 3Dohmae, and Tadashi Suzuki Functional studies of日（招待講演）

cutosolic deglycosylating enzymes in mammaliancytoplasmiccells. 2014 SFG & JSCR Joint Meeting Satellite

peptide:N-glycanse (PNGase) – basic science meets

Symposium II Glycans in Neuroscience at Honolulu

genetic disease. RIKEN-Max Planck Joint Research(HI), USA. 2014 年 11 月 16 日

T.

SuzukiStoryoftheCenter for Systems Chemical Biology 3rd Annual

11. Chengcheng Huang, Yoichiro Harada, Akira Hosomi,

Symposium at Kreuth, Germany. 2014 年 5 月 23 日

Yuki Masahara-Negishi, Junichi Seino, Haruhiko（招待講演）

Fujihira, Yoko Funakoshi, Takehiro Suzuki, Naoshi

T. Suzuki Story of Ngly1: basic science finds aDohmae, and Tadashi Suzuki Functional studies ofhuman genetic disorder. Seminars at Institute forcutosolic deglycosylating enzymes in mammalian

Forest Mycology and Plant Pathology, Swedish

cells. Joint Meeting of the Society for Glycobiology

Universityand the Japanese Society of Carbohydrate Researchof

AgriculturalSciences,

Uppsala,Sweden. 2014 年 5 月 26 日（招待講演）
5.

Suzuki.

T.

SuzukiStoryoftheat Honolulu (HI), USA. 2014 年 11 月 18 日

cytoplasmic

12. Haruhiko Fujihira, Yuki Masahara-Negishi, Masaru

peptide:N-glycanse – basic science meets a humanTamura, Shigehar Wakana, Chengcheng Huang, Gengenetic disorder. 25th Joint Glycobiology Meeting at

Kondoh, ,Tadashi Yamashita, Yoko Funakoshi, andGhent, Belgium. 2014 年 9 月 16 日（KeynoteTadashiLecture）

deglycosylating enzymes in mice. Joint Meeting ofT. Suzuki The cytoplasmic PNGase (Ngly1) – an

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enigmatic enzyme meets human genetic disorder.

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functionsofDohmae, and Tadashi Suzuki Functional analysis ofUSA. 2014 年 11 月 19 日

the13. Chengcheng Huang, Yoichiro Harada, Akira Hosomi,cytoplasmic

deglycosylating

enzymesinYuki Masahara-Negishi, Yoko Funakoshi, andmammalian cells. 第 87 回日本生化学会大会 京Tadashi

都Suzuki

Functional

analysisofthe2014 年 10 月 16 日

cytoplasmic ENGase/PNGase in mammalian cells.
GlycoTOKYO2013 シンポジウム

東京 2013 年

1.

10 月 19 日
14. 藤平
田誌上発表

鈴木 匡澄澄、近藤玄、山下神戸 2013 年 12The

cytoplasmic

157, 23-34.
2.

Chengcheng Huang, Yoichiro Harada, Akira Hosomi,
Yuki Masahara-Negishi, Junichi Seino, Haruhiko

月3日
15. 藤平

(2015)

encounters a human genetic disorder. J. Biochem.

匡、マウスにおける PNGase の生理機能第 36 回日本分子生物学会年会

Suzuki

peptide:N-glycanase (PNGase) – basic science

陽彦、正原-根岸 由紀、船越 陽子、原陽一郎、黄Tadashi

陽彦、正原-根岸 由紀、田村茂晴、黄澄澄、近藤子、鈴木匡の生理機能

Fujihira, Yoko Funakoshi, Takehiro Suzuki, Naoshi

勝、若菜玄、山下 匡、船越Dohmae,

陽(2015)in Ngly1-defective cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA

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protein aggregates during ER-associated degradation

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Endo-β-N-acetylglucosaminidase forms N-GlcNAc

マウスにおける糖鎖脱離酵素群
第 87 回日本生化学会大会

and-