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ケミカルゲノミクスとアグリーファジーを統合した手法でオートファジー誘導剤の機能解析を研究しています
A chemical genomics-aggrephagy integrated method studying functional analysis of autophagy inducers.
PMID: 32762399 DOI: 10.1080/15548627.2020.1794590.
抄録
大規模オートファジーは、パーキンソン病やハンチントン病などの神経変性疾患をはじめとする様々な疾患の発症に重要な役割を果たしています。化学的なオートファジー誘導剤は、細胞毒性のあるタンパク質や損傷したタンパク質を除去することで、疾患を改善する薬剤として期待されている。これまでに多くのオートファジー誘導剤が同定されているが、シグナル伝達経路が複雑に絡み合っているため、その正確な分子メカニズムは完全には解明されていない。この問題を解決するために、我々はいくつかのケミカルゲノム解析を行い、オートファジーに関連するパスウェイ間の優位性を理解した後、アグレッソームクリアランスアッセイを行った。まず、400種類以上の低分子化合物を用いて、神経細胞であるPC12D細胞のオートファジー・フラックスを活性化する能力を評価し、39種類の化合物をオートファジーの誘導物質として同定した。次に、200種類の確立されたシグナル伝達モジュレーターによるオートファジー誘導に対する影響を調べることで、オートファジー誘導剤のプロファイリングを行った。オートファジープロファイル」のデータセットを用いて主成分分析（PCA）とクラスタリング分析を行った結果、米国食品医薬品局（FDA）に承認された2つの薬剤、メマンチンとクレマスチンが小胞体ストレス応答を活性化し、オートファジー誘導につながる可能性があることがわかった。また、最近発見されたオートファジー誘導物質であるSMK-17は、PCAから予測された通り、PRKC/PKC-TFEB経路を介してオートファジーを誘導することが確認された。最後に、本研究で試したほぼすべてのオートファジー誘導剤が、PDおよびHDの細胞モデルで観察されたタンパク質凝集体のクリアランスを有意に促進することを示した。これらの結果から、オートファジーを活性化する低分子化合物は、機能していないタンパク質の凝集体を除去することで、プロテオパチーを改善する可能性が示唆されました。
Macroautophagy/autophagy plays a critical role in the pathogenesis of various human diseases including neurodegenerative disorders such as Parkinson disease (PD) and Huntington disease (HD). Chemical autophagy inducers are expected to serve as disease-modifying agents by eliminating cytotoxic/damaged proteins. Although many autophagy inducers have been identified, their precise molecular mechanisms are not fully understood because of the complicated crosstalk among signaling pathways. To address this issue, we performed several chemical genomic analyses enabling us to comprehend the dominancy among the autophagy-associated pathways followed by an aggresome-clearance assay. In a first step, more than 400 target-established small molecules were assessed for their ability to activate autophagic flux in neuronal PC12D cells, and we identified 39 compounds as autophagy inducers. We then profiled the autophagy inducers by testing their effect on the induction of autophagy by 200 well-established signal transduction modulators. Our principal component analysis (PCA) and clustering analysis using a dataset of "autophagy profiles" revealed that two Food and Drug Administration (FDA)-approved drugs, memantine and clemastine, activate endoplasmic reticulum (ER) stress responses, which could lead to autophagy induction. We also confirmed that SMK-17, a recently identified autophagy inducer, induced autophagy via the PRKC/PKC-TFEB pathway, as had been predicted from PCA. Finally, we showed that almost all of the autophagy inducers tested in this present work significantly enhanced the clearance of the protein aggregates observed in cellular models of PD and HD. These results, with the combined approach, suggested that autophagy-activating small molecules may improve proteinopathies by eliminating nonfunctional protein aggregates.
ABBREVIATIONS:
ADK：アデノシンキナーゼ、AMPK：AMP活性化プロテインキナーゼ、ATF4：活性化転写因子4、BECN1：ベクリン-1、DDIT3/CHOP：DNA損傷誘導性転写産物3、EIF2AK3/PERK：ユーカリ翻訳開始因子。EIF2AK3/PERK：真核生物翻訳開始因子2αキナーゼ3；EIF2S1/eIF2α：真核生物翻訳開始因子2サブユニットα；ER：小胞体；ERN1/IRE1α：小胞体から核へのシグナル伝達1；FDA．食品医薬品局；GSH：グルタチオン；HD：ハンチントン病；HSPA5/GRP78：熱ショックタンパク質ファミリーA（Hsp70）メンバー5；HTT：ハンチンチン；JAK：ヤヌスキナーゼ、MAP1LC3B/LC3：微小管結合タンパク質1軽鎖3β；MAP2K/MEK：マイトジェン活性化プロテインキナーゼキナーゼ；MAP3K8/Tpl2:mitogen-activated protein kinase kinase 8; MAPK: mitogen-activated protein kinase; MPP: 1-methyl-4-phenylpyridinium; MTOR: mechanistic target of rapamycin kinase; MTORC: MTOR complex; NAC: N-acetylcysteine; NGF: nerve growth factor 2; NMDA:PCA：主成分分析、PD：パーキンソン病、PDA：膵臓管腺癌、PIK3C3：ホスファチジルイノシトール3キナーゼ触媒サブユニットタイプ3、PMA：ホルボール12-ミリスチン酸13-アセテート、PRKC/PKC：プロテインキナーゼC、ROCK:Rho関連コイルドコイルプロテインキナーゼ；RR：リボヌクレオチドリダクターゼ；SIGMAR1：シグマ非オピオイド細胞内受容体1；SQSTM1/p62：シークエストソーム1；STK11/LKB1：セリン/スレオニンキナーゼ11；TFEB：転写因子EB；TGFB/TGF-β。トランスフォーミング成長因子β；ULK1：unc-51 like autophagy activating kinase 1；XBP1：X-box binding protein 1。
ABBREVIATIONS: ADK: adenosine kinase; AMPK: AMP-activated protein kinase; ATF4: activating transcription factor 4; BECN1: beclin-1; DDIT3/CHOP: DNA damage inducible transcript 3; EIF2AK3/PERK: eukaryotic translation initiation factor 2 alpha kinase 3; EIF2S1/eIF2α: eukaryotic translation initiation factor 2 subunit alpha; ER: endoplasmic reticulum; ERN1/IRE1α: endoplasmic reticulum to nucleus signaling 1; FDA: Food and Drug Administration; GSH: glutathione; HD: Huntington disease; HSPA5/GRP78: heat shock protein family A (Hsp70) member 5; HTT: huntingtin; JAK: Janus kinase, MAP1LC3B/LC3: microtubule associated protein 1 light chain 3 beta; MAP2K/MEK: mitogen-activated protein kinase kinase; MAP3K8/Tpl2: mitogen-activated protein kinase kinase kinase 8; MAPK: mitogen-activated protein kinase; MPP: 1-methyl-4-phenylpyridinium; MTOR: mechanistic target of rapamycin kinase; MTORC: MTOR complex; NAC: N-acetylcysteine; NGF: nerve growth factor 2; NMDA: N-methyl-D-aspartate; PCA: principal component analysis; PD: Parkinson disease; PDA: pancreatic ductal adenocarcinoma; PIK3C3: phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit type 3; PMA: phorbol 12-myristate 13-acetate; PRKC/PKC: protein kinase C; ROCK: Rho-associated coiled-coil protein kinase; RR: ribonucleotide reductase; SIGMAR1: sigma non-opioid intracellular receptor 1; SQSTM1/p62: sequestosome 1; STK11/LKB1: serine/threonine kinase 11; TFEB: Transcription factor EB; TGFB/TGF-β: Transforming growth factor beta; ULK1: unc-51 like autophagy activating kinase 1; XBP1: X-box binding protein 1.