Molecular mechanisms of ubiquitin signaling regulating protein transport to peroxisomes

• Project/Area Number: 20K06711
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
• Research Institution: National Institute for Basic Biology
• Principal Investigator: Mano Shoji 基礎生物学研究所, オルガネラ制御研究室, 准教授 (20321606)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: ペルオキシソーム / シロイヌナズナ / apem変異体 / タンパク質輸送 / Peroxin / ユビキチン化 / ゼニゴケ / ユビキチン / 植物

Outline of Research at the Start

ペルオキシソームを構成するタンパク質は全て核ゲノムにコードされているため、ペルオキシソームへの正確なタンパク質輸送がペルオキシソームの機能発現に重要である。申請者が単離したシロイヌナズナのapem7変異体はタンパク質輸送異常を示し、APEM7遺伝子がコードする Peroxin 4 (PEX4) が、ユビキチン結合活性をもつことが明らかとなった。植物ペルオキシソームの膜上には、PEX4の他にもユビキチン化に関わる因子が存在し、それらの機能低下はタンパク質輸送異常を示す。本研究では、ペルオキシソーム膜上のユビキチンシグナルの分子機構の解明と、植物種間における共通性／特異性を明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

To better understand molecular mechanism(s) of ubiquitination on the peroxisome membrane, we analyzed the Arabidopsis apem7 (aberrant peroxisome morphology 7) mutant, which exhibits reduced protein transport efficiency. The APEM7 gene encodes PEX4 (Peroxin 4), which had the ubiquitin conjugating activity. This study revealed that the abnormal ubiquitination caused by the apem7 mutation affectes protein transport to peroxisomes. In addition, we succeeded in the identification of proteins involved in the ubiquitination on peroxisomal membranes in an early diverging land plant, the liverwort Marchantia polymporpha. The results showed the presence of ubiquitination-dependent protein transport to peroxisomes in Marchantia polymporpha, indicating that the ubiquitination-dependent protein transport to peroxisomes was acquired early in the evolution of land plants.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ユビキチン化によるペルオキシソームタンパク質輸送制御は、酵母や動物でも報告されているものの植物での知見は少なかった。同定したPEX4は植物以外では酵母でのみ確認されており、実際にユビキチン結合活性を確認できたのは、多細胞生物では本研究が初めてである。また、進化過程における基部陸上植物のゼニゴケにおいても、同じ制御機構の存在が示されたことから、この制御機構の植物における普遍性に迫ることができた。しかしながら、この制御機構は動物や酵母で全く同じではなく、生物種に応じた違いがあることが示唆され、真核生物におけるユビキチン制御以降の共通性と多様性の理解に繋がる知見として意義がある。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Jagiellonian University(ポーランド)
• [Journal Article] Cloning and functional verification of endogenous U6 promoters for the establishment of efficient CRISPR/Cas9-based genome editing in Castor (Ricinus communis) (2023)
  • Author(s): Kanai, M., Hikino, K., and Mano, S.
  • Journal Title: Genes Volume: 14 Issue: 7 Pages: 1327-1327
  • DOI: 10.3390/genes14071327
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pexophagy in plants: a mechanism to remit cells from oxidative damage caused under high-intensity light (2023)
  • Author(s): Goto-Yamada Shino、Oikawa Kazusato、Hayashi Yasuko、Mano Shoji、Yamada Kenji、Nishimura Mikio
  • Journal Title: Autophagy Volume: 19 Issue: 5 Pages: 1611-1613
  • DOI: 10.1080/15548627.2023.2175570
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pexophagy suppresses ROS-induced damage in leaf cells under high-intensity light (2022)
  • Author(s): Oikawa, K., Goto-Yamada, S., Hayashi, Y., Takahashi, D., Kimori, Y., Shibata, M., Yoshimoto, K., Takemiya, A., Kondo, M., Hikino, K., Kato, A., Shimoda, K., Ueda, H., Uemura, M., Numata, K., Ohsumi, Y., Hara-Nishimura, I., Mano, S., Yamada, K., and Nishimura, M.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 7 Issue: 1 Pages: 7493-7493
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35138-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ubiquitin-Conjugating Activity by PEX4 is Required for Efficient Protein Transport to Peroxisomes in Arabidopsis thaliana (2022)
  • Author(s): Mano Shoji、Hayashi Yasuko、Hikino Kazumi、Otomo Masayoshi、Kanai Masatake、Nishimura Mikio
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: - Issue: 6 Pages: 102038-102038
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102038
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Image-based analysis revealing the molecular mechanism of peroxisome dynamics in plants (2022)
  • Author(s): Goto-Yamada, S., Oikawa, K., Yamato, T.K., Kanai, M., Hikino, K., Nishimura, M., and Mano, S.
  • Journal Title: Front. Cell Dev. Biol. Volume: 10 Pages: 883491-883491
  • DOI: 10.3389/fcell.2022.883491
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular mechanism for peroxisomal protein transport via the ubiquitin system (2023)
  • Author(s): Mano, S, Goto-Yamada, S., Hayashi, Y., Hikino, K., Kanai, M., and Nishimura, M.
  • Organizer: The 33rd International Conference on Arabidopsis Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 植物ペキソファジーは、強光下でおこるROS生成による植物細胞の傷害を抑制する (2023)
  • Author(s): 及川和聡、後藤(山田)志野、林八寿子、柴田美智太郎、近藤真紀、真野昌二、上田晴子、西村いくこ、山田健志、西村幹夫
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナのペルオキシソームへの効率的なタンパク質輸送にはPEX4によるユビキチン結合活性が必要である (2022)
  • Author(s): 真野昌二、林八寿子、曳野和美、大友政義、金井雅武、西村幹夫
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ユビキチン系に制御されたペルオキシソームタンパク質輸送系の解析 (2022)
  • Author(s): 真野昌二、林八寿子、曳野和美、大友政義、金井雅武、西村幹夫
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] ペルオキシソームのオートファジー分解に関わるPEUP10タンパク質の解析 (2022)
  • Author(s): 後藤（山田）志野、及川和聡、真野昌二、西村幹夫、山田健志
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] ペルオキシソーム形成に関わるシロイヌナズナAPEM6様タンパク質の機能比較 (2021)
  • Author(s): 神垣あかね、西村幹夫、真野昌二
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 水溶性ビタミンを介した母体による胚と胚乳の発生制御 (2021)
  • Author(s): 石本聖絵、鈴木雅晴、杉木愛、木嵜暁子、真野昌二、野坂（髙橋）実鈴、鈴木俊哉、タキムニュン、志水（佐藤）佐江、豊田敦、鈴木孝征、田畑亮、櫻井望、澤進一郎、長戸康郎、マッカーティードナルド、佐藤豊
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Book] Modifications in Biomacromolecules (2024)
  • Author(s): Mano, S., Hikino, K., and Kanai, M.
  • Total Pages: 170
  • Publisher: IntechOpen
  • ISBN: 9781803559971
• [Book] In Plant Omics. Advances in big data biology (2022)
  • Author(s): Kanai, M., Tamura, K., Tarnawska-Glatt, K., Goto-Yamada, S., Yamada, K., and Mano, S.
  • Total Pages: 270
  • Publisher: CABI
  • ISBN: 9781789247510