Cooperative regulation of cytoskeleton and membrane dynamics by novel mechanism of dynamin

• Project/Area Number: 19H03225
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44010:Cell biology-related
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: Takei Kohji 岡山大学, 医歯薬学域, 教授 (40322226)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山田 浩司 岡山大学, 医歯薬学域, 准教授 (80325092) ; 竹田 哲也 岡山大学, 医歯薬学域, 研究准教授 (30302368) ; 内橋 貴之 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30326300)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2021: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2020: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2019: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
• Keywords: ダイナミン / アクチン / 微小管 / 細胞膜 / 生体膜 / チューブリン / 膜 / メンブレン / ポドサイト / シャルコーマリーツース病 / 中心核ミオパチー / マラリアダイナミン

Outline of Research at the Start

ダイナミンはアクチン、微小管、生体膜を制御する。ダイナミンとそのターゲットは、重合脱重合、変形などダイナミック変化するため分子の作動実態は未解明である。我々は最近、ダイナミンの膜切断過程をin vitroで再現し、その働きを直接観察した（Takeda et al. eLife 2018）。in vitro再構成系と細胞レベルの解析により、アクチン、微小管、生体膜に対するダイナミンの作動実態と、ダイナミンのマルチ機能が細胞内で連携統合する仕組みを解析する。ダイナミンファミリー分子に共通する本質的分子マシナリーの解明、マルチ機能の統合の仕組みの解明、ダイナミン変異疾患の病態解明を目指す。

Outline of Final Research Achievements

We found that Charcot-Marie-Tooth disease-associated mutations of dynamin 2 cause aberrant stress fibers, showing that dynamin is required for the formation and stabilization of stress fibers. And we reconstituted in vitro the actin bundle formation by dynamin. We also found that dynamin 1 bundles microtubules, and showed that this bundling is necessary for the primary processes formation and stabilization of cell morphology of renal glomerular podocytes. The microtubule-binding site of dynamin 1 was identified. Furthermore, regarding the regulation of membrane dynamics, we demonstrated that dynamin 2 and BIN1, a BAR protein, cooperatively function in T-tubule formation and stabilization of skeletal muscle cells.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ダイナミンの変異が、てんかん性脳症や末梢神経変性疾患Charcot-Marie-Tooth病、先天性筋疾患の一つである中心核ミオパチーの原因となることがわかり、それらの疾患に関連するダイナミン変異も多数報告されている。ダイナミン分子の生理的機能、作動機構を解明するとともに、変異に伴う機能破綻のメカニズムを明らかにすることは、これらの難治性疾患の分子病態の解明や新規の診断、治療の開発に不可欠である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Bristol(英国)
• [Int'l Joint Research] IST Austria(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] Yale大学(米国)
• [Int'l Joint Research] INSERM/ソルボンヌ大学(フランス)
• [Journal Article] Microtubule assembly by tau impairs endocytosis and neurotransmission via dynamin sequestration in Alzheimer's disease synapse model (2022)
  • Author(s): Hori, T., Eguchi, K., Wang, H.Y., Miyasaka, T., Guillaud, L., Taoufiq, Z., Mahapatra, S., Yamada, H., Takei, K., Takahashi, T.
  • Journal Title: Elife Volume: 11 Pages: 1-20
  • DOI: 10.7554/elife.73542
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The lipid-binding defective dynamin 2 mutant in Charcot-Marie-Tooth disease impairs proper actin bundling and actin organization in glomerular podocytes (2022)
  • Author(s): Hamasaki, E., Wakita, N., Yasuoka H., Nagaoka, H., Morita, M., Takashim, E., Uchihashi, T., Takeda, T., Abe, T., Saleem, M.A., Ogo, N., Asai, A., Narita, A., Kohji Takei, K.,Yamada, H.
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: ー
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Imaging‐based evaluation of pathogenicity by novel DNM2 variants associated with centronuclear myopathy (2021)
  • Author(s): Fujise Kenshiro、Okubo Mariko、Abe Tadashi、Yamada Hiroshi、Takei Kohji、Nishino Ichizo、Takeda Tetsuya、Noguchi Satoru
  • Journal Title: Human Mutation Volume: 43 Issue: 2 Pages: 169-179
  • DOI: 10.1002/humu.24307
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamin 2 and BAR domain protein pacsin 2 cooperatively regulate formation and maturation of podosomes (2021)
  • Author(s): Li Jianzhen、Fujise Kenshiro、Wint Haymar、Senju Yosuke、Suetsugu Shiro、Yamada Hiroshi、Takei Kohji、Takeda Tetsuya
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 571 Pages: 145-151
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.07.041
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mutant BIN1-Dynamin 2 complexes dysregulate membrane remodeling in the pathogenesis of centronuclear myopathy (2021)
  • Author(s): Fujise K., Okubo M., Abe T., Yamada H., Nishino I., Noguchi S., Takei K., Takeda T.
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 296 Pages: 100077-100077
  • DOI: 10.1074/jbc.ra120.015184
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamin 1 is important for microtubule organisation and stabilisation in glomerular podocytes (2020)
  • Author(s): The Mon La , Tachibana, H., Li, S.A., Abe, T., Seiriki, S., Nagaoka, H., Takashima, E., Takeda, T., Ogawa, D., Makino, S., Asanuma, K., Watanabe, M., Tian, X., Ishibe, S., Sakane, A., Sasaki, T., Wada, J., Takei, K., Yamada, H.
  • Journal Title: FASEB Journal Volume: 34 Issue: 12 Pages: 16449-16463
  • DOI: 10.1096/fj.202001240rr
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Initial phospholipid-dependent Irgb6 targeting to Toxoplasma gondii vacuoles mediates host defense. (2019)
  • Author(s): Lee, Y., Yamada, H., Pradipta, A., Ma, J.S., Okamoto, M., Nagaoka, H., Takashima, E., Standley, D.M., Sasai, M., Takei, K., Yamamoto, M.
  • Journal Title: Life Science Alliance Volume: 3 Issue: 1 Pages: 000-000
  • DOI: 10.26508/lsa.201900549
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ATP6AP2 variant impairs CNS development and neuronal survival to cause fulminant neurodegeneration (2019)
  • Author(s): Takuo Hirose, Alfredo Cabrera-Socorro, David Chitayat, Thomas Lemonnier, Olivier Feraud, Carmen Cifuentes-Diaz, Nicolas Gervasi, Cedric Mombereau, Tanay Ghosh, Loredana Stoica, Al Bacha Jeanne d'arc, Hiroshi Yamada et al.
  • Journal Title: Journal of Clinical Investigation Volume: 130 Issue: 5 Pages: 2145-2162
  • DOI: 10.1172/jci79990
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ダイナミンによる細胞骨格と膜のダイナミクス制御：新規分子マシナリーからダイナミン変異疾患の分子病態まで (2020)
  • Author(s): 竹居孝二
  • Organizer: 新潟大学大学院医歯学総合研究科分子細胞機能学分野セミナー
  • Invited
• [Presentation] 中心核ミオパチー型BIN1 およびDNM2 変異体による膜リモデリング異常の解析 (2019)
  • Author(s): 藤瀬賢志郎、山田浩司、竹居孝二、竹田哲也
  • Organizer: 第71回日本細胞生物学会・第19回日本蛋白質科学会年会合同大会
• [Presentation] ダイナミンの動的分子イメージング：in vitro 再構成系×高速AFM (2019)
  • Author(s): 竹居孝二、内橋貴之、竹田哲也、山田浩司、安藤敏夫
  • Organizer: 第71回日本細胞生物学会・第19回日本蛋白質科学会年会合同大会
  • Invited
• [Presentation] 筋細胞膜リモデリングにおけるメカニカルストレス応答の解析 (2019)
  • Author(s): 藤瀬賢志郎、山田浩司、竹居孝二、竹田哲也
  • Organizer: 日本筋学会第5回学術集会
• [Presentation] 腎糸球体ポドサイトにおけるアンフィファイジン１の機能 (2019)
  • Author(s): 山田浩司、The Mon La、竹田哲也、阿部匡史、淺沼克彦、竹居孝二
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
• [Presentation] 腎糸球体ポドサイトにおけるダイナミンイソフォームの局在と機能 (2019)
  • Author(s): 阿部匡史、The Mon La、橘洋美、竹田哲也、竹居孝二、山田浩司,
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
• [Presentation] ダイナミン GTP アーセはアクチン線維の束化と分散を機械的に制御する (2019)
  • Author(s): 竹居孝二、テモンラ、阿部匡、竹田哲也、 藤原郁子、成田哲博
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Dynamin GTPase mechanically regulates bundling and unbundling of actin filaments (2019)
  • Author(s): Kohji Takei1, La The Mon, Tadashi Abe, Tetsuya Takeda, Ikuko Fujiwara, Akihiro Narita
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Mechanical stress-responsive membrane remodeling in muscle cells (2019)
  • Author(s): Kenshiro Fujise, Hiroshi Yamada, Kohji Takei, Tetsuya Takeda
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Regulation of skeletal muscle membrane robustness by membrane remodeling proteins BIN1 and Dynamin-2 (2019)
  • Author(s): Kenshiro Fujise, Hiroshi Yamada, Kohji Takei, Tetsuya Takeda
  • Organizer: 第７回若手による骨格筋細胞研究会
• [Remarks] Matthias Groszer's research
  • URL: https://www.researchgate.net/scientific-contributions/48055760_Matthias_Groszer