ペルオキシソームタンパク質輸送を制御するユビキチンシグナルの役割

• 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: 真野 昌二 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: Granted (Fiscal Year 2022)
• 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 / 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 Annual Research Achievements

真核細胞に普遍的に存在するオルガネラのペルオキシソームは、脂肪酸代謝や活性酸素の除去など細胞、ひいては個体の維持に必要な様々な機能をもつ。これらの機能を司るペルオキシソームタンパク質は全て核ゲノムにコードされているため、翻訳後のタンパク質がペルオキシソームへ正確に輸送されることが必要である。研究代表者がタンパク質輸送異常を示す変異体として単離したシロイヌナズナのapem7 (aberrant peroxisome morphology 7) 変異体の解析から、APEM7遺伝子がペルオキシソーム形成因子 (PEX: Peroxin) の1つPEX4に相同性のあるタンパク質をコードし、ユビキチン化のE2酵素として働くUbiquitin-conjugating (UBC) 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E3酵素として働くユビキチンリガーゼ等ユビキチン化に関わる因子が存在する。それら因子の機能低下はペルオキシソームタンパク質輸送の異常を示し、その結果植物体の発育不全や胚発生致死を引き起こす。本課題では、ペルオキシソームタンパク質輸送を制御するユビキチンシグナルの分子機構の解明と、その制御機構の植物種間における共通性あるいは種特異性に迫る。
これまでに、PEX4を介したユビキチン化の最終的なターゲットとして、サイトソルに局在するペルオキシソームタンパク質レセプターのPEX5が修飾を受け、分子量が大きくなること、野生型ではPEX5は主に可溶性画分に局在するが、apem7変異体では膜画分に局在することを明らかにすることができ、本年度は、以上の結果をまとめて学会で報告するとともに、論文発表を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

これまでのapem7を用いた成果をまとめ、2021年11月に論文を投稿した。レビュアーからは好意的なコメントが寄せられ、修正原稿を投稿した結果、2022年５月に発表に至った。また、この成果を受け、別の雑誌からユビキチンに関する総説の依頼を受け投稿した（現在、査読中）。加えて、apem7を含めたイメージングを指標にしたスクリーニングにより得られた変異体を用いたペルオキシソーム研究のレビューを執筆し、2022年5月に発表した。さらに、2023年6月に開催されるThe 33rd International Conference Arabidopsis Researchにて本研究成果を発表予定である。

Strategy for Future Research Activity

apem7変異体で研究されるペルオキシソーム膜上にPEX5のユビキチン化の解析を継続する。
これまでにシロイヌナズナのペルオキシソーム膜上のユビキチン化因子（PEX1、PEX2、PEX4、PEX6、PEX10、PEX12、APEM9）の情報を元に、ゼニゴケの相同遺伝子の同定に成功し、それらをCripr/Cas9法による遺伝子破壊株の作製を進めてきた。このうちPEX4、PEX12の遺伝子破壊株を作製できたので、ペルオキシソームタンパク質輸送および個体への影響を調べる。また、PEX4プロモーターとレポーターとの融合遺伝子を導入した形質転換ゼニゴケを作製し、ゼニゴケの成長過程のどの時期のどの細胞でPEX4の遺伝子が発現しているか明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Pexophagy in plants: a mechanism to remit cells from oxidative damage caused under high-intensity light (2023)
  • Author(s): Goto-Yamada, S., Oikawa, K., Hayashi Y., Mano, S., Yamada, S. and, Nishimura, M.
  • Journal Title: Autophagy Volume: 2003 Issue: 5 Pages: 1-3
  • 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] 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] 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