遺伝学とケミカルバイオロジーの融合による植物オートファジーの分子理解と応用展開

• Project/Area Number: 19J01681
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 38060:Applied molecular and cellular biology-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 中村 咲耶 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: オートファジー / 光障害 / クロロファジー / 葉緑体 / シロイヌナズナ

Outline of Research at the Start

申請者はこれまで、光ストレスによって障害を受けた葉緑体が、細胞内分解系であるオートファジーによって選択的に除去されることを明らかにしてきた。本研究では、この「選択的クロロファジー経路」の誘導・制御メカニズムに焦点を当て、その解明のために、植物遺伝学の手法を駆使する遺伝学的解析と、ケミカルバイオロジーを取り入れたクロロファジー制御化合物のスクリーニングを遂行する。得られた候補遺伝子・候補化合物は随時、作用機序の解析につなげ、さらにはクロロファジー経路の人為的な制御がストレス耐性機構としてどの程度重要か、また、作物のストレス耐性や、品質の向上を目指す研究へ発展し得るか、を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

申請者はこれまでに、太陽光に含まれる紫外線や強度の強い可視光 (強光) によって障害を受けた葉緑体が、丸ごと液胞内へと輸送・除去されるオートファジー経路「選択的クロロファジー」経路の存在を示した。本研究では、特に障害葉緑体を認識するレセプター機構について分子レベルでの理解を進めるために、植物遺伝学の手法を駆使する順遺伝学スクリーニングと、ケミカルバイオロジーの手法を取り入れるケミカルスクリーニングを行い、得られた結果に応じて両者を連携、補填しながら研究を進めた。
順遺伝学スクリーニングでは、昨年度までの解析で得られたクロロファジー特異的変異株の原因遺伝子について、T-DNA挿入変異株やCRISPR/Cas9法による欠損株を複数整備し、クロロファジー活性への影響を試験し、同定した遺伝子がクロロファジー経路の過程で機能していることを確認した。これと並行して、原因遺伝子を対象に、蛍光タンパク質融合コンストラクトを作製し、植物体内での局在解析を行った。
クロロファジー抑制化合物を単離するケミカルスクリーニングでは、昨年度までに単離した候補化合物を対象に濃度依存性の活性評価を行い、安定して抑制効果を示す化合物を28種類選抜することに成功した。特に、抑制効果の高い化合物について、その構造を基に類縁化合物を作製し、構造活性相関解析を行った。これにより、抑制活性に必要な構造を絞り込むことができた。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Development of 1,8-naphthalimide dyes for rapid imaging of subcellular compartments in plants (2022)
  • Author(s): Kusano Shuhei、Nakamura Sakuya、Izumi Masanori、Hagihara Shinya
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 58 Issue: 11 Pages: 1685-1688
  • DOI: 10.1039/d1cc05798g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mitophagy in plants (2021)
  • Author(s): Nakamura Sakuya、Hagihara Shinya、Izumi Masanori
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects Volume: 1865 Issue: 8 Pages: 129916-129916
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2021.129916
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 葉緑体オートファジーの研究展開：植物を超えた議論の発展を目指して (2021)
  • Author(s): 中村咲耶、泉正範
  • Journal Title: BSJ-Review Volume: 12 Issue: A Pages: 68-77
  • DOI: 10.24480/bsj-review.12a8.00201
  • ISSN: 2432-9819
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Autophagy Contributes to the Quality Control of Leaf Mitochondria (2020)
  • Author(s): Nakamura Sakuya、Hagihara Shinya、Otomo Kohei、Ishida Hiroyuki、Hidema Jun、Nemoto Tomomi、Izumi Masanori
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: － Issue: 2 Pages: 229-247
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa162
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] RCB-mediated chlorophagy caused by oversupply of nitrogen suppresses phosphate-starvation stress in plants (2020)
  • Author(s): Yoshitake Yushi、Nakamura Sakuya、Shinozaki Daiki、Izumi Masanori、Yoshimoto Kohki、Ohta Hiroyuki、Shimojima Mie
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 185 Pages: 318-330
  • DOI: 10.1093/plphys/kiaa030
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chlorophagy does not require PLANT U-BOX4-mediated ubiquitination (2020)
  • Author(s): Nakamura Sakuya、Izumi Masanori
  • Journal Title: Plant Signaling & Behavior Volume: 16 Issue: 3 Pages: 1861769-1861769
  • DOI: 10.1080/15592324.2020.1861769
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chloroplast Autophagy and Ubiquitination Combine to Manage Oxidative Damage and Starvation Responses (2020)
  • Author(s): Kikuchi Yuta、Nakamura Sakuya、Woodson Jesse D.、Ishida Hiroyuki、Ling Qihua、Hidema Jun、Jarvis R. Paul、Hagihara Shinya、Izumi Masanori
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 183 Issue: 4 Pages: 1531-1544
  • DOI: 10.1104/pp.20.00237
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of potent inhibitors for strigolactone receptor DWARF 14 (2020)
  • Author(s): Yoshimura Masahiko、Kim Sojung F.、Takise Ryosuke、Kusano Shuhei、Nakamura Sakuya、Izumi Masanori、Yagi Akiko、Itami Kenichiro、Hagihara Shinya
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 56 Issue: 94 Pages: 14917-14919
  • DOI: 10.1039/d0cc01989e
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Plant mitophagy contributes to the maintenance of mitochondrial population and quality in Arabidopsis leaves (2021)
  • Author(s): 中村咲耶、泉正範
  • Organizer: 第62回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] 葉緑体の分解経路から理解する二重膜オルガネラの普遍的な形態制御機構 (2020)
  • Author(s): 泉正範、中村咲耶
  • Organizer: 日本植物学会
  • Invited
• [Presentation] 葉緑体ライフサイクルの終着点：オートファジーによる分解機構 (2020)
  • Author(s): 中村咲耶、泉正範
  • Organizer: 第61回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] 葉緑体の自己分解を統制する応答ゾーンの形成プロセス (2019)
  • Author(s): 泉正範、中村咲耶
  • Organizer: 日本植物学会 第83回大会
• [Presentation] 障害葉緑体を除去する選択的クロロファジーの誘導プロセス (2019)
  • Author(s): 中村咲耶
  • Organizer: 第8回 植物エンドメンブレンミーティング
• [Presentation] 障害葉緑体をミクロオートファジー様の経路で除去するクロロファジーの解析 (2019)
  • Author(s): 中村咲耶、泉正範
  • Organizer: 第12回 オートファジー研究会
• [Presentation] 葉緑体分解を統制する応答ゾーンの形成プロセス (2019)
  • Author(s): 泉正範、中村咲耶、草野修平、萩原伸也
  • Organizer: 第3回 オルガネラ・ゾーン研究会
• [Presentation] クロロファジーを発動する全分解ゾーンの形成プロセス (2019)
  • Author(s): 中村咲耶
  • Organizer: 第3回 オルガネラ・ゾーン研究会