植物細胞に残る未知の膜交通経路 ～液胞からの逆行輸送機構の解明～

• Project/Area Number: 21H02515
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
• Research Institution: National Institute for Basic Biology
• Principal Investigator: 上田 貴志 基礎生物学研究所, 細胞動態研究部門, 教授 (10311333)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 液胞 / 膜交通 / リサイクリング / シロイヌナズナ / 逆行輸送 / sorting nexin / バイオイメージング / retromer / PICALM

Outline of Research at the Start

植物細胞は多くのオルガネラから成り立っています．その中でも液胞は最大の体積を占め，タンパク質の分解や貯蔵，空間充填，細胞内の恒常性の維持などの重要な役割を担っています．これまで液胞への物質輸送経路については多くの研究がなされてきましたが，液胞からタンパク質を回収する仕組みについてはその存在も含めよく分かっていませんでした．本研究では液胞からの膜タンパク質の回収機構を明らかにすることを目指します．

Outline of Annual Research Achievements

植物の液胞膜からタンパク質を回収する仕組みが存在するのか、存在するとすれば、それはどのような分子機構によっているのかを、液胞膜と後期エンドソームの融合を実行するエンドソームタンパク質であるVAMP727をモデルカーゴとして明らかにするべく研究を進めている。令和3年度までに、光変換タンパク質を用いた実験により、VAMP727が液胞膜から回収される経路の存在を証明した。さらに、VAMP727と共沈降してくる分子を質量分析で同定することにより、VAMP727の相互作用因子候補を複数同定した。令和4年度においては、それらの相互作用因子のうち、VAMP727の液胞膜からのリサイクリングに関わる可能性のある分子を選び出すべく遺伝学的な解析を進めた。sorting nexinおよびretromer複合体の各サブユニットについて変異体を収集し、それらにGFP-VAMP727を導入して局在への影響を調べた。その結果、retromerの変異体ではGFP-VAMP727のエンドソーム局在に変化が見られなかったのに対し、sorting nexin変異体ではGFP-VAMP727が液胞膜に蓄積することを見いだした。この結果は、sorting nexinがVMAP727の液胞膜からのリサイクリングに関与している可能性を示している。現在、sorting nexin変異体でsorting nexinを発現誘導することで、液胞膜からVAMP727が回収されるかを検証すべく準備を進めている。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

これまでにVAMP727の液胞膜からのリサイクリング経路の実在を証明するとともに、そこで機能すると考えられる分子の候補を同定していることから、研究が当初の計画以上に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、候補因子の変異体を用いた解析を行うとともに、AlphaScreen法やnative MSなどの手法を用いてVAMP727と候補因子の結合を生化学的に解析する。さらに、VAMP727が液胞膜から回収される過程をリアルタイムで可視化する。必要に応じて超解像顕微鏡を用いた観察を実施する。成果を国際誌に発表するとともに、プレスリリースなどを通じて広く公開する。

Research Products

• [Journal Article] Autophagy regulates plastid reorganization during spermatogenesis in the liverwort Marchantia polymorpha (2023)
  • Author(s): Norizuki Takuya、Minamino Naoki、Sato Miyuki、Ueda Takashi
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 14 Pages: 1-8
  • DOI: 10.3389/fpls.2023.1101983
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Vacuoles (2023)
  • Author(s): Ebine Kazuo、Ueda Takashi
  • Journal Title: Encyclopedia of Cell Biology Volume: Second Edition Pages: 426-434
  • DOI: 10.1016/b978-0-12-821618-7.00154-1
  • ISBN: 9780128216248
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Normal oil body formation in Marchantia polymorpha requires functional coat protein complex I proteins (2022)
  • Author(s): Kanazawa T, Nishihama R, Ueda T
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 13 Pages: 979066-979066
  • DOI: 10.3389/fpls.2022.979066
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Remodeling of organelles and microtubules during spermiogenesis in the liverwort Marchantia polymorpha (2022)
  • Author(s): Minamino Naoki、Norizuki Takuya、Mano Shoji、Ebine Kazuo、Ueda Takashi
  • Journal Title: Development Volume: 149 Issue: 15 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1242/dev.200951
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phylogenetic distribution and expression pattern analyses identified a divergent basal body assembly protein involved in land plant spermatogenesis (2022)
  • Author(s): Koshimizu Shizuka、Minamino Naoki、Nishiyama Tomoaki、Yoro Emiko、Sato Mayuko、Wakazaki Mayumi、Toyooka Kiminori、Ebine Kazuo、Sakakibara Keiko、Ueda Takashi、Yano Kentaro
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 236 Issue: 3 Pages: 1182-1196
  • DOI: 10.1111/nph.18385
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamic rearrangement and autophagic degradation of mitochondria during spermiogenesis in the liverwort Marchantia polymorpha (2022)
  • Author(s): Norizuki Takuya、Minamino Naoki、Sato Miyuki、Tsukaya Hirokazu、Ueda Takashi
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 39 Issue: 11 Pages: 110975-110975
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.110975
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Autophagy regulates organelle reorganization during spermiogenesis in the liverwort Marchantia polymorpha (2022)
  • Author(s): Norizuki Takuya、Ueda Takashi
  • Journal Title: Autophagy Volume: 18 Issue: 10 Pages: 2503-2504
  • DOI: 10.1080/15548627.2022.2096396
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Renaissance and Enlightenment of Marchantia as a model system (2022)
  • Author(s): Bowman, J.L., Berger,F., Briginshaw, L.N., Davies, K.M., Dierschke, T., Dolan,L., Fisher, T.J., Flores-Sandoval,E., Futagami,K., Ishizaki, K., Kato, H., Kohchi, T., Levins, J., Lin, S-S., Nishihama, R., Romani, R., Tanizawa, Y., Tsuzuki, M., Watanabe,Y., Yamato, K.T., Zachgo, S.
  • Journal Title: The Plant Cell Volume: 34 Issue: 10 Pages: 3512-3542
  • DOI: 10.1093/plcell/koac219
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Membrane trafficking functions of the ANTH/ENTH/VHS domain‐containing proteins in plants (2022)
  • Author(s): Feng Yihong、Hiwatashi Takuma、Minamino Naoki、Ebine Kazuo、Ueda Takashi
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 596 Issue: 17 Pages: 2256-2268
  • DOI: 10.1002/1873-3468.14368
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 苔類の「油体」から探る植物のオルガネラ進化 (2022)
  • Author(s): 金澤建彦，上田貴志
  • Journal Title: 化学と生物 Volume: 60 Pages: 5-7
• [Presentation] Recycling pathway from the vacuole in plant cells (2022)
  • Author(s): Takashi Ueda
  • Organizer: NIBB-COS Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] How plants aquired new organelles -Lessons from Marchantia- (2021)
  • Author(s): Takashi Ueda
  • Organizer: Plant Cell Dynamics 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] How a new vacuolar trafficking pathway emerges -lessons from plants- (2021)
  • Author(s): 上田貴志
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 細胞・オルガネラ動態の周期性表出の分子基盤を探る (2021)
  • Author(s): 上田貴志
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
  • Invited
• [Presentation] 植物に学ぶ生存戦略~オルガネラ獲得編~ (2021)
  • Author(s): 上田貴志
  • Organizer: 第7回生体調節研究所内分泌代謝シンポジウム
  • Invited
• [Remarks] 植物の精子形成におけるオートファジーの役割を解明
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/pressroom/news/2022/06/15.html
• [Remarks] 植物の精子形成に関わる新規因子を発見 ～基底小体タンパク質が獲得した新機能～
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/pressroom/news/2022/08/05.html
• [Remarks] 植物細胞の大変身 ～ゼニゴケ精子形成の過程でおこる劇的な細胞構造の転換過程が明らかに～
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/pressroom/news/2022/08/08.html