Spatial regulation of heterotrimeric G proteins in chemotactic sensing

• Project/Area Number: 20K06631
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44010:Cell biology-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 上村 陽一郎 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 上級研究員 (20321599)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); 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)
• Keywords: 三量体Gタンパク質シャトリング / 走化性 / 細胞性粘菌 / Gip1 / 三量体Gタンパク質 / GPCRシグナリング / Gタンパク質シャトリング

Outline of Research at the Start

走化性細胞は化学物質の濃度勾配認識にGPCRシグナリングを利用する。申請者は「Gタンパク質シャトリング」と命名した三量体Gタンパク質の細胞内局在制御が勾配認識に必要であることを新たに発見した。しかし、この機構がどのように勾配情報を反映した活性化Gタンパク質の膜局在に繋がるかは不明である。そこで本研究では「Gタンパク質シャトリング」を組み込んだ「Gタンパク質の細胞内局在制御」モデルを構築し、その妥当性と生理学的意義を実証する。

Outline of Annual Research Achievements

Gタンパク質共役型受容体（GPCR）シグナリングは基礎生物学や医科学などライフサイエンにおける重要な研究分野である。GPCR受容体は三量体Gタンパク質のグアニンヌクレオチド交換反応によって情報を伝達する。ヒトの白血球や細胞性粘菌のような走化性細胞は化学物質の濃度勾配認識にGPCRシグナリングを利用する。走化性細胞はわずか１%程度の濃度勾配を１０万倍もの濃度域に渡り検出する能力を持つ。申請者は「Gタンパク質シャトリング」と命名した三量体Gタンパク質の細胞内局在制御が勾配認識に必要であることを発見した。この制御の中心はGタンパク質結合因子であるGip1である。Gip1はGタンパク質の脂質修飾を介して細胞質で結合し、走化性物質刺激に応じて解離する。このようなGip1依存的Gタンパク質シャトリング機構がどのように勾配情報を反映した活性化Gタンパク質の膜局在に繋がるかは不明である。そこで、本研究では（１）Gip1とGタンパク質の結合、解離の分子機構、（２）Gタンパク質の空間制御機構の全体像の解明を目的とする。
細胞性粘菌を用いた研究から、Gタンパク質の結合因子としてGip1以外にRic8、ElmoE、GflBが知られている。本研究では、これらのGタンパク質結合因子がどのように走化性物質の勾配情報を処理しているかを調べる目的で遺伝学的相互作用を検出する方法を確立した。これにより見出した遺伝学的相互作用について栄養飢餓に対する発生プログラム、走化性を中心に解析を進めた。その結果、Gip1を中心とするGタンパク質の空間制御が走化性応答の広い濃度域で重要であるという結果を得た。この機構は一過的な走化性物質の刺激応答には必須でないが、濃度勾配認識において重要な機能を持つと考えられた。

Research Products

• [Journal Article] GPCR Signaling Regulation in Dictyostelium Chemotaxis (2021)
  • Author(s): Kamimura Yoichiro、Ueda Masahiro
  • Journal Title: Methods in molecular biology Volume: 2274 Pages: 317-336
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-1258-3_27
  • ISBN: 9781071612576, 9781071612583
• [Journal Article] Different Heterotrimeric G Protein Dynamics for Wide-Range Chemotaxis in Eukaryotic Cells (2021)
  • Author(s): Kamimura Yoichiro、Ueda Masahiro
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 9 Pages: 724797-724797
  • DOI: 10.3389/fcell.2021.724797
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CRISPR Toolbox for Genome Editing in Dictyostelium (2021)
  • Author(s): Yamashita Kensuke、Iriki Hoshie、Kamimura Yoichiro、Muramoto Tetsuya
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 9 Pages: 721630-721630
  • DOI: 10.3389/fcell.2021.721630
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Talin B regulates collective cell migration via PI3K signaling in Dictyostelium discoideum mounds (2020)
  • Author(s): Shin-Ichi Yamazaki, Hidenori Hashimura, Yusuke V. Morimoto, Yukihiro Miyanaga, Satomi Matsuoka, Yoichiro Kamimura, Masahiro Ueda
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 525 Issue: 2 Pages: 372-377
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.02.060
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 走化性シグナル伝達における三量体Gタンパク質活性制御因子Gip1, Ric8の役割 (2021)
  • Author(s): 上村陽一郎
  • Organizer: 第11回日本細胞性粘菌学会例会
• [Presentation] Regulation of heterotrimeric G protein activity in the eukaryotic chemotaxis signaling pathway (2021)
  • Author(s): 上村陽一郎
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 走化性勾配認識における三量体Gタンパク質制御 (2020)
  • Author(s): 上村陽一郎
  • Organizer: 第10回日本細胞性粘菌学会例会
• [Presentation] Roles of Gip1 and Ric8 in activation of heterotrimeric G proteins for eukaryotic chemotaxis (2020)
  • Author(s): 上村陽一郎、上田昌宏
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Role of RGSs in gradient sensing by chemotactic cells (2020)
  • Author(s): 黒岩麟平、上村陽一郎、上田昌宏
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会