日本毒性学会 第 9 回 LRI 賞受賞講演

環境化学物質による心臓の頑健性低下の分子機構解明と心不全重症化の予防・治療戦略の構築
西田

1九州大学 大学院薬学研究院 生理学分野

基宏

2自然科学研究機構 生理学研究所（生命創成探究センター）心循環シグナル研究部門

2023年8月25日＠東京

同じ重症度の心不全と診断されていても患者の背景によって予後が異なる～その多くは環境因子の複合曝露（エクスポソーム）が関与～

食事による健康リスクをレドックス研究の視点から読み解く
エクスポソーム：ヒトが生涯において曝露される環境化学物質の総量。
健康被害・疾患リスクを予測する重要因子となることは間違いないが、その研究戦略が問題視されている
遺伝要因（全疾患リスクの10％）

環境省
エコチル調査環境要因（全疾患リスクの90％）

レドックス
酸化還元

タンパク質中チオール基の翻訳後修飾
SH

Cys

S

His

S

Cys

His

Cys
Cys

Cys

S

S

10-20%のシステインが“レドックスアクティブ”(生理的pHでHが解離する)

ヒトゲノム中には214,000のCysがコードされている

可逆的Pathological

不可逆的S-SG

S-ON

S-OH

S-SH

S-親電子

Cys

Cys

Cys

Cys

Cys

物質

S-O3H
Cys

Biotin-PEG-Maleimide (BPM)試薬を利用した心不全（線維化）の重症度と血漿Glutathione Peroxidase (GPx) 3の酸化修飾との弱い正の相関線
維化

Oda et al., Sci. Rep., 2017酸化

システインパースルフィド（Cys-SSH）が活性酸素や親電子物質を代謝・消去する心筋保護因子であることを発見
虚血心筋梗塞

正常の心臓

心筋の早期老化

代償性肥大

8-NO2-cGMP

低濃度NaHS/H2S(substrate)

CARS1 (cytosol)

CARS2 (mitochondria)

非代償性肥大（心不全）NO2—a effectNH 3HO••
S SH

H2O2

8-SH-cGMPO

システインパースルフィド

RS-(S)n-SHCystine

超硫黄分子種R: Cysteine, Glutathione
Peptide or proteinscGMPPDE

GMP
Nishida et al., Nature Chem Biol., 2012
Ida et al., Proc Natl Acad Sci USA, 2014
Akaike et al., Nature Commun, 2017
Nishimura et al., Science Signal, 2019

ミトコンドリア局在型Cysteinyl tRNA合成酵素（CARS2）；CysSSH生成酵素の実体
Quantitation of protein Cys persulfide
Liver from WT and CARS2+/- mice

WT and CARS2 knockout (KO) HEK293T cells
400
300
200
1000*

CysSSH/CysSH
12*

108%

4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.50CysSSH

pmol/mg protein

nmol/mg protein

CysSH6WTCARS2 KO420

Akaike et al., Nature Commun., 2017

CARS2のCysSSH産生活性がミトコンドリアの品質維持に必要不可欠

WT

CARS2 KO+ WTCARS2 KO+ C78/257D
CysSSH産生活性のみを回復

CARS2 KOCARS2 KO+ K124/127ACARS2 KO+ K317/320A

Cys tRNA合成活性のみを回復
Akaike et al., Nature Commun., 2017

レドックス感受性GTP結合タンパク質によるミトコンドリア品質管理制御
ミトコンドリアの分裂、融合を制御するGTP結合タンパク質

虚血（低酸素）高血糖
酸化ストレス
Mfn1, Mfn2, Opa1 ・GTP

ミトコンドリア

Cys684; disulfide-bridge-dependent
fusionDynamin-related
protein1(Drp1)

Drp1・GTP

融合分裂過剰分裂

Cys624S

心筋早期老化（慢性心不全）S S H
マイトファジー

Like a telomere!

CARS2によるDrp1のポリイオウ化がDrp1のGTPase活性を負に制御する
Drp1 polysulfidation
CARS2 KOsiRNAWT Mock CARS1/2(kDa) 1 2 1 2 1 2
91
70

Polysulfidated
Drp1 (eluted)

91
70

Total rp1(input)

Drp1-GTPase/Drp1 input

Drp1 activity
4

##**

##

3210

WT Mock WT C78/K317/
257D 320A
CARS2 KO

Akaike et al., Nature Commun., 2017

Biotin-PEG-MALを用いたタンパク質ポリ硫黄化の検出

メチル水銀（環境親電子物質）と心疾患リスク
高濃度メチル水銀
曝露
メチル水銀(MeHg)

低濃度メチル水銀
曝露

心疾患リスクの上昇?
・Hair Hg conc. >2 ppm → MI risk 2-fold(Salonen et al., Circulation. 1995)
・Nail Hg conc. > 0.66 ppm→ MI risk > 2.16-fould(Guallar et al., N Engl J Med. 2005)

MeHg

SHS-MeHg

CysCys

神経障害（水俣病）

低用量MeHg曝露は圧負荷誘発性の心不全を顕著に悪化させる
圧負荷後のマウス突然死率
は微量のMeHg曝露により増大!
120

MeHg(-) 偽処置
MeHg(-) 圧負荷
MeHg(+) 偽処置
MeHg(+) 圧負荷

100

生存率（％）
Survival (%)

水銀量（ng）／臓器重量（mg）

組織中の水銀濃度の増加（普段の食事で十分に増加しうる量）8060MeHg(-)
偽処置Vehicle
Sham

40

MeHg(-)
圧負荷Vehicle
TAC
MeHg
Sham
偽処置
MeHg(+)

20MeHg
TAC圧負荷MeHg(+)

00102030(Day)Nishimura et al., Science Signaling, (2019)メチル水銀飲水投与による心筋ミトコンドリアの異常分裂
心臓ミトコンドリア形態

水 メチル水銀Vehicle
1週間

ミトコンドリア分裂・融合サイクル
Drp1活性化

MeHg

Drp1タンパク質のCys624側鎖のかさ高さがミトコンドリア分裂を負に制御する

Nishimura et al., Science Signaling, (2019)タンパク質中のポリイオウ鎖の長さが環境ストレスに対する抵抗力の強さ（疾患発症リスクの低さ）を規定する

超硫黄分子こそが生命機能を支える分子実体である!

エネルギー代謝（硫黄呼吸）

環境応答・適応（レドックスシグナル伝達）

膜電位形成（細胞成熟・分化）

品質管理（タンパク・小器官）

超硫黄分子の形成が心臓のストレス抵抗力（頑健性）の維持に寄与する

Normal (Healthy) HeartS8 (Octasulfur)

R S S S R

Ischemia/hypoxia
Electrophiles

H SMitochondria
(e-)

R S

CARS2
(Mit Cysteinyl-tRNA synthetase)

SQOR(sulfide:quinone oxidoreductase)

Vulnerable (Pathological) Heart