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Molecular basis of the protein trafficking system for mitochondrial biogenesis and functional maintenance

Research Project

Project/Area Number 20H05689
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Broad Section G
Research InstitutionKyoto Sangyo University

Principal Investigator

遠藤 斗志也  京都産業大学, 生命科学部, 教授 (70152014)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 田村 康  山形大学, 理学部, 教授 (50631876)
Project Period (FY) 2020-08-31 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥196,690,000 (Direct Cost: ¥151,300,000、Indirect Cost: ¥45,390,000)
Fiscal Year 2024: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000)
Fiscal Year 2023: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000)
Fiscal Year 2022: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000)
Fiscal Year 2021: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000)
Fiscal Year 2020: ¥42,250,000 (Direct Cost: ¥32,500,000、Indirect Cost: ¥9,750,000)
Keywordsミトコンドリア / TOM複合体 / SAM複合体 / ポリン / クライオ電子顕微鏡 / ミトコンドリアDNA / NVJ / トランスロケータ / タンパク質輸送
Outline of Research at the Start

ミトコンドリアの生合成と機能維持には,1000種あまりのタンパク質を外部から既存ミトコンドリアに正しく配送することが必須である。トランスロケータによるミトコンドリアタンパク質の交通の管制を中心に,クライオ電子顕微鏡解析を駆使し,生化学的・細胞生物学的解析と組み合わせてミトコンドリアが細胞内でいかに作られ,維持されるかという根源的問題の分子機構の統合的理解をめざす。さらに,これまで存在しないと思われていたタンパク質配送の校正について,Msp1によるERをも捲き込んだ新たな機構の全貌の解明,これまで全く知られていなかったミトコンドリア量を調節する細胞内因子と経路の解明もめざす。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、出芽酵母を中心にミトコンドリアの交通システムと品質管理システムについて,クライオ電子顕微鏡(EM)よる構造解析と構造に基づく生化学的・細胞生物学的解析を並行して進め、ミトコンドリアタンパク質の交通と品質管理に関する新たな原理を確立することをめざしている。当該年度に実施した研究の成果は以下の通り。
(1)クライオEMで決定した酵母ミトコンドリアのポリン(Por1)の6量体構造に基づき,サブユニット界面の様々な残基の変異体を作成したところ,急速にミトコンドリアDNA(mtDNA)が失われる変異体が見つかった。この変異体を利用して,酵母の様々なヌクレアーゼ欠失株についてmtDNA欠失が抑制される欠失株を検索したところ,7種類のヌクレアーゼ関連因子を同定できた。これらの因子の多くはヒトでも保存されており,これまで不明であったmtDNAのサイトゾルへの漏出や欠失の分子機構解明の突破口を開く足場となることが期待できる。(2)サイトゾルからミトコンドリア内に移行する核コードRNAの同定に成功した。これらのRNAの中にはミトコンドリア内のシャペロンと協力してミトコンドリア内のタンパク質の凝集を防ぐ働きを持つものがあった。ミトコンドリア内のプロテオスタシス維持の新しい機構と言える発見である。(3)分担研究者は、ミトコンドリアの増加が顕著となるグルコース飢餓条件下で拡大する核-液胞間コンタクトサイト(NVJ)に集積する複数の新規タンパク質の同定に成功し、その生理的意義の解明を進めた。その結果、グルコース飢餓特異的なNVJ因子群が、核膜の脂質環境の変化を感知して動的に集積し、エルゴステロール合成を制御することを発見した。これらの成果は、NVJが単なる構造的接触部位ではなく、栄養ストレスに応じて脂質代謝を制御する調節拠点として機能することを示す重要な知見といえる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまでの研究課題の進捗状況については,以下のことが明らかになっている。(1)ミトコンドリア外膜のβバレル型膜タンパク質の膜への組み込みと構造形成を担うSAM複合体については,SAM複合体と基質Tom40のフォールディング中間体との複合体のクライオEM構造を決定し,Tom40のβバレル構造形成過程を構造形成の途中と完成した状態について明らかにした。さらに,SAM-Mdm10複合体に補助的に一過的に結合する因子Mco6について,SAM-Mdm10-Mco6複合体のクライオEM構造を決定した。Mco6はER-ミトコンドリアコンタクト部位の安定化にも関わる可能性がある。(2)酵母ミトコンドリアのポリン(Por1)のアセンブリー構造をクライオEMで決定し,サブユニット界面に変異を導入することで,ポリンの小分子輸送能以外の生理的意義を検討した。その結果ポリンには小分子/イオン輸送活性とは別に,TOM複合体の2量体-3量体平衡を制御することでTOM複合体の基質活性をスイッチする機能があること,ミトコンドリア外膜における脂質スクランブラーゼ活性を一部担うこと,ミトコンドリアDNA維持と漏出の制御に関わることを見出し,ポリンの多面的機能解明の足場ができた。(4)ミトコンドリアに移行する核コードRNAの同定とその生理的意義の研究も開始している。(5)分担研究者はミトコンドリアが増加するグルコース飢餓条件に拡大するNVJ領域に着目し,そこに集積する新規タンパク質を複数同定した。これらの因子が欠損した細胞では,脂肪滴が顕著に蓄積したことから,リポファジーもしくはリパーゼによる脂質分解が阻害されていると考えられる。またグルコース飢餓依存的なミトコンドリアの拡大が,同定した因子の欠損株では抑制されていたことから,NVJを介した脂肪滴分解が関与するミトコンドリア増加メカニズムの存在が示唆された。

Strategy for Future Research Activity

最終年度なので,研究のまとめと論文化を行うとともに,一段とインパクトがある成果をめざして以下の実験を進める。(1)SAM複合体の機能についてはMco6とERMES複合体をジスルフィド架橋で安定化し,クライオ電顕構造解析を行う。特にMco6-Mdm10-Mdm34複合体の構造決定を試みる。(2)ポリンの新機能については,特にmtDNA漏出・欠失のメカニズム解明をめざしたい。酵母ポリンのヒトホモログであるVDAC1についても同様の変異を導入したとき,mtDNA欠失の表現型が現れるかどうかを調べるとともに,見出されたmtDNA欠失に関わる因子について,ヒトで保存されているものについてヒト培養細胞でノックダウン実験を行い,表現型を調べる。(3)ミトコンドリアに移行する核コードRNAについて,生細胞でナノインジェクション実験を行い,生細胞でのミトコンドリア移行を追跡する実験系を立ち上げる。(4)グルコース飢餓によって核膜の物理的性質が変化し,NVJ機能の再編成が起こることを見出したが,具体的どのような生体膜の物理的性質が変化するのかは不明である。膜の厚さや流動性,特定の脂質分子の増減などNVJ機能の再編成を引き起こす要因し明らかにしていく。また生体膜の物理的性質の変化がNVJ因子のリクルートを促進するメカニズムに関しても今度解析を行っていく。

Assessment Rating
Interim Assessment

A+: 想定を超える研究の進展があり、期待以上の成果が見込まれる

Report

(8 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Abstract (Interim Assessment) ( PDF )   Annual Research Report   Interim Assessment (Comments) ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results ( PDF )   Annual Research Report
  • Research Products

    (146 results)

All 2025 2024 2023 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (5 results) Journal Article (24 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 22 results,  Open Access: 11 results) Presentation (112 results) (of which Int'l Joint Research: 22 results,  Invited: 37 results) Book (1 results) Remarks (4 results)

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      Nat. Commun.

      Volume: 16 Issue: 1 Pages: 1508-1508

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      Volume: 707 Pages: 153-171

    • DOI

      10.1016/bs.mie.2024.07.041

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      Volume: 136 Issue: 6 Pages: 1-11

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      Volume: 30 Issue: 2 Pages: 176-187

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      iScience

      Volume: 25 Issue: 11 Pages: 105362-105362

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      第76回細胞生物学会大会
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      椎野 浩也, 橋本 美智子, 細谷 孝充, 遠藤 斗志也, 田村 康
    • Organizer
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      松本俊介,小野鈴花,遠藤斗志也
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      第95回日本生化学会大会
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      阪上春花,遠藤斗志也
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      第95回日本生化学会大会
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  • [Presentation] 小胞体-ミトコンドリア間接触部位を形成する酵母ERMES複合体の最小機能単位2022

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      平嶋孝志,齊藤知加,河野 慎,遠藤斗志也
    • Organizer
      第95回日本生化学会大会
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  • [Presentation] Identification of nuclear-encoded RNAs in mitochondria (poster presentation)2022

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      Saori Shinoda, Tomoaki Sakamoto, Seisuke Kimura, Toshiya Endo
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      松本俊介,小野鈴花,遠藤斗志也
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      田村康
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      458
    • Publisher
      NTS
    • ISBN
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Published: 2020-09-07   Modified: 2026-01-26  

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