Molecular mechanisms of autophagy against diseases and aging and the operating principle of its regulatory factors

• Project/Area Number: 22H04982
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section G
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 吉森 保 大阪大学, 大学院医学系研究科, 特任教授 (60191649)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中村 修平 奈良県立医科大学, 医学部, 教授 (00510611)
• Project Period (FY): 2022-04-27 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥192,790,000 (Direct Cost: ¥148,300,000、Indirect Cost: ¥44,490,000); Fiscal Year 2025: ¥37,700,000 (Direct Cost: ¥29,000,000、Indirect Cost: ¥8,700,000); Fiscal Year 2024: ¥37,700,000 (Direct Cost: ¥29,000,000、Indirect Cost: ¥8,700,000); Fiscal Year 2023: ¥37,700,000 (Direct Cost: ¥29,000,000、Indirect Cost: ¥8,700,000); Fiscal Year 2022: ¥41,990,000 (Direct Cost: ¥32,300,000、Indirect Cost: ¥9,690,000)
• Keywords: オートファジー / リソソーム / 選択的オートファジー

Outline of Research at the Start

真核生物の細胞に普遍的に備わる機能オートファジーは、細胞内の高分子・構造物を分解しリサイクルするシステムである。細胞の恒常性維持を通して、多数の疾患と老化の抑制に働く。本研究では、研究代表者が同定してきたオートファジー制御の鍵分子の普遍的な作動原理と、オートファジーにおける最大の謎である膜創成、疾患抑制に重要な選択的オートファジー、オートファジーによる疾患と老化の抑制の各々の分子機構の解明を目指し、オートファジーの統合的理解を進める。

Outline of Annual Research Achievements

課題A) オートファジー関連タンパク質LC3は、オートファジー機能および非オートファジー機能があることが報告されており、未だその具体的な機能はわかっていない。本年度は引き続きSTK38とGABARAPファミリータンパク質の解析を行った。その結果、損傷リソソームがオートファジーの一形態であるミクロオートファジーによって修復され、STK38 とGABARAPs がこの経路の進行に必要であることを見出した。さらに、これらの因子の欠損はリソソームの損傷増加を伴い、細胞の老化亢進や個体の寿命低下を引き起こした（EMBO Reports 2023）。
課題B) 小胞体ーミトコンドリア接触部位のプロテオミクスなどの方法で得られた隔離膜新生に関わる可能性のある候補因子について解析を行った。本年度はオートファゴソーム形成の初期ステップに必須なULK1タンパク質複合体が、オートファゴソーム形成部位に局在化する機構を明らかにした（リバイス中）。
課題C) ミトコンドリアおよびリソソームがストレスを受けた際にTFEBがHKDC1 の発現を誘導し、HKDC1が損傷ミトコンドリアのオートファジーによる除去と同時に傷ついたリソソームの修復を促進することにより、細胞老化を抑制することを明らかにした（PNAS, 2024）。また、これまでに同定した選択的オートファジーの関連候補因子について解析を行ったところ、ゴルジ体選択的オートファジーの受容体を同定した（リバイス中）。
課題D) 線虫を用いてMondoAの組織特異的な機能を解析したところ、神経系での働きが生殖細胞除去による寿命延長に必須であることを見出した。さらに、神経系のMondoAは神経のみならず他の組織のオートファジーの活性も細胞非自律的に制御し、これが全身の老化の抑制に重要な役割を果たすことが示唆された（PNAS, 2023）。

Current Status of Research Progress

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

Reason

課題A)　転写因子TFEBはリソソーム損傷に応答してLC3の脂質化依存的に核に移行するが、その意義は不明である。LC3の脂質化の意義を解析する過程で、損傷リソソーム膜がマクロオートファジーにより修復されることを見出した。また、STK38がDOK1のリン酸化を介してVPS4を損傷リソソームへリクルートし、さらにESCRT構成因子の解離を促進することによってマクロオートファジーを終結させることを明らかにした（EMBO Reports 2023）。
課題B)　ULK1タンパク質複合体は、オートファジーの開始段階でオートファゴソーム形成部位に集積することが必要だが、そのメカニズムは不明であった。本年度は、ULK1が脂質修飾を受けることによりオートファゴソーム形成場に運ばれることを明らかにした（リバイス中）。
課題C)　 HKDC1は解糖系酵素として働くことが知られているが、この機能とは独立して、損傷ミトコンドリアの除去や損傷リソソームの修復を介して両者のクオリティーコントロールに必須の働きを持つことを明らかにした。HKDC1欠損細胞では機能低下したミトコンドリアや損傷リソソームの蓄積を伴い、細胞老化が進行することがわかった（PNAS, 2024）。また、選択的オートファジーの分子機構解明に取り組み、ゴルジ体特異的オートファジーの分子機構の一端を明らかにした（リバイス中）。
課題D)　Rubiconを上流で制御する転写因子MondoAを同定していたが、この因子の老化における働きについては不明であった。神経、腸、筋肉、表皮などの組織特異的ノックダウン線虫を用いた寿命解析から、MondoAの神経系での働きが生殖細胞除去による寿命延長に必須であること、神経系が全身の老化やオートファジー制御のコントロールセンターの役割を果たし、MondoAがその中心的役割を担うことを明らかにした（PNAS, 2023）。

Strategy for Future Research Activity

課題A) LC3の非オートファジー機能について引き続き解析を行う。特に定量プロテオミクスにより同定したリソソーム損傷時にTFEBと相互作用する因子の解析や、RNA-seqによる下流解析により得た候補因子について解析を進め、リソソーム損傷に伴うTFEB活性化の意義を明らかにする。また、損傷リソソームのミクロオートファジーについてさらに解析を行う。さらに、LC3によるTRPML1のチャネル開口促進機構を理解するために、現在取り組んでいる両者の複合体の構造解析を続ける。
課題B) 複数のスクリーニングから見出したオートファジー関連候補因子について、引き続き解析を続ける。小胞体局在因子が複数得られているため、オートファゴソーム形成部位である小胞体とオートファゴソームの相互作用について詳しく解析する。
課題C)　現在までに得られた複数のリソファジー関連候補因子について、引き続き解析を進める。

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Research Products

• [Journal Article] HKDC1, a target of TFEB, is essential to maintain both mitochondrial and lysosomal homeostasis, preventing cellular senescence (2024)
  • Author(s): 1.Cui, M., Yamano, K., Yamamoto, K., Yamamoto-Imoto, H., Minami, S., Yamamoto, T., Matsui, S., Kaminishi, T., Shima, T., Ogura, M., Tsuchiya, M., Nishino, K., Layden B., Kato, H., Ogawa, H., Oki, S., Okada, Y., Isaka, Y., Kosako, H., Matsuda, N., *Yoshimori, T., *Nakamura, S.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 121 Issue: 2
  • DOI: 10.1073/pnas.2306454120
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lysophagy protects against propagation of α-synuclein aggregation through ruptured lysosomal vesicles (2023)
  • Author(s): Kakuda Keita、Ikenaka Kensuke、Kuma Akiko、Doi Junko、Aguirre Cesar、Wang Nan、Ajiki Takahiro、Choong Chi-Jing、Kimura Yasuyoshi、Badawy Shaymaa Mohamed Mohamed、Shima Takayuki、Nakamura Shuhei、Baba Kousuke、Nagano Seiichi、Nagai Yoshitaka、Yoshimori Tamotsu、Mochizuki Hideki
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 121 Issue: 1
  • DOI: 10.1073/pnas.2312306120
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The TMEM192-mKeima probe specifically assays lysophagy and reveals its initial steps (2023)
  • Author(s): Shima Takayuki、Ogura Monami、Matsuda Ruriko、Nakamura Shuhei、Jin Natsuko、Yoshimori Tamotsu、Kuma Akiko
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 222 Issue: 12
  • DOI: 10.1083/jcb.202204048
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microautophagy regulated by <scp>STK38</scp> and <scp>GABARAPs</scp> is essential to repair lysosomes and prevent aging (2023)
  • Author(s): Ogura Monami、Kaminishi Tatsuya、Shima Takayuki、Torigata Miku、Bekku Nao、Tabata Keisuke、Minami Satoshi、Nishino Kohei、Nezu Akiko、Hamasaki Maho、Kosako Hidetaka、Yoshimori Tamotsu、Nakamura Shuhei
  • Journal Title: EMBO reports Volume: 24 Issue: 12
  • DOI: 10.15252/embr.202357300
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neuronal MML-1/MXL-2 regulates systemic aging via glutamate transporter and cell nonautonomous autophagic and peroxidase activity (2023)
  • Author(s): Shioda Tatsuya、Takahashi Ittetsu、Ikenaka Kensuke、Fujita Naonobu、Kanki Tomotake、Oka Toshihiko、Mochizuki Hideki、Antebi Adam、Yoshimori Tamotsu、Nakamura Shuhei
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 120 Issue: 39
  • DOI: 10.1073/pnas.2221553120
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Opposing roles of RUBCN isoforms in autophagy and memory B cell generation (2023)
  • Author(s): Tsai Chao-Yuan、Sakakibara Shuhei、Kuan Yu-Diao、Omori Hiroko、El Hussien Maruwa Ali、Okuzaki Daisuke、Lu Shiou-Ling、Noda Takeshi、Tabata Keisuke、Nakamura Shuhei、Yoshimori Tamotsu、Kikutani Hitoshi
  • Journal Title: Science Signaling Volume: 16 Issue: 803 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1126/scisignal.ade3599
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] TFEB-mediated lysosomal exocytosis alleviates high fat diet?induced lipotoxicity in the kidney. (2023)
  • Author(s): Nakmura J, Yamamoto T*, Takabatake Y, Namba-Hamano T, Minami S, Takahashi A, Matsuda J, Sakai S, Yonishi H, Maeda S, Matsui S, Matsui I, Hamano T, Takahashi M, Goto M, Izumi Y, Bamba T, Sasai M, Yamamoto M, Matsusaka T, Niimura F, Yanagita M, Nakamura S, Yoshimori T, Ballabio A, Isaka Y.
  • Journal Title: JCI Insight Volume: 8(4) Issue: 4
  • DOI: 10.1172/jci.insight.162498
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] PACSIN1 is indispensable for amphisome-lysosome fusion during basal autophagy and subsets of selective autophagy (2022)
  • Author(s): Oe Yukako、Kakuda Keita、Yoshimura Shin-ichiro、Hara Naohiro、Hasegawa Junya、Terawaki Seigo、Kimura Yasuyoshi、Ikenaka Kensuke、Suetsugu Shiro、Mochizuki Hideki、Yoshimori Tamotsu、Nakamura Shuhei
  • Journal Title: PLOS Genetics Volume: 18 Issue: 6 Pages: e1010264-e1010264
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1010264
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of CUL4A-DDB1-WDFY1 as an E3 ubiquitin ligase complex involved in initiation of lysophagy (2022)
  • Author(s): Hirofumi Teranishi, Keisuke Tabata, Marika Saeki, Tetsuo Umemoto, Tomohisa Hatta, Takanobu Otomo, Kentaro Yamamoto, Toru Natsume, Tamotsu Yoshimori, Maho Hamasaki
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 40(11) Issue: 11 Pages: 111349-111349
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111349
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Measurement of autophagy via LC3 western blotting following DNA-damage-induced senescence (2022)
  • Author(s): Yamamoto-Imoto Hitomi、Hara Eiji、Nakamura Shuhei、Yoshimori Tamotsu
  • Journal Title: STAR Protocols Volume: 3 Issue: 3 Pages: 101539-101539
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2022.101539
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] How cells recognize and remove the perforated lysosome (2022)
  • Author(s): Tabata Keisuke、Saeki Marika、Yoshimori Tamotsu、Hamasaki Maho
  • Journal Title: Autophagy Volume: - Issue: 6 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1080/15548627.2022.2138686
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The mechanisms and roles of selective autophagy in mammals (2022)
  • Author(s): Vargas Jose Norberto S.、Hamasaki Maho、Kawabata Tsuyoshi、Youle Richard J.、Yoshimori Tamotsu
  • Journal Title: Nature Reviews Molecular Cell Biology Volume: 24 Issue: 3 Pages: 167-185
  • DOI: 10.1038/s41580-022-00542-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] オートファジー (2024)
  • Author(s): 吉森 保
  • Organizer: 第15回泌尿器抗加齢研究会
  • Invited
• [Presentation] オートファジー：感染と老化に対抗する細胞の守護者 (2023)
  • Author(s): 吉森 保
  • Organizer: 第53回日本皮膚免疫アレルギー学会学術大会
  • Invited
• [Presentation] Autophagy; The Guardian of Cells Against Infection and Aging (2023)
  • Author(s): Tamotsu YOSHIMORI
  • Organizer: 2023 KSM-KDCA Joint International Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Autophagy; The Guardian of Cells Against Diseases and Aging (2023)
  • Author(s): Tamotsu YOSHIMORI
  • Organizer: 4D Cellular Physiology (4DCP) Seminar: Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Autophagy; The Cellular Guardian Against Diseases and Aging (2023)
  • Author(s): Tamotsu YOSHIMORI
  • Organizer: Symposium on Organelle Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The Cellular Guardian Against Diseases and Aging (2023)
  • Author(s): Tamotsu YOSHIMORI
  • Organizer: IAGG Asia/Oceania Regional Congress 2023 (IAGG2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] オートファジー:疾患と老化に対抗する細胞の守護者 (2023)
  • Author(s): 吉森 保
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会 第17回年会
  • Invited
• [Presentation] オートファジー:疾患と老化に対抗する細胞の守護者 (2023)
  • Author(s): 吉森 保
  • Organizer: 第76回日本酸化ストレス学会
  • Invited
• [Presentation] オートファジー:健康長寿社会の実現に向けて (2023)
  • Author(s): 吉森 保
  • Organizer: ifia JAPAN 2023 / HFE JAPAN
  • Invited
• [Presentation] オートファジー:老化に対抗する細胞の守護者 (2023)
  • Author(s): 吉森 保
  • Organizer: 第31回日本医学会総会
  • Invited
• [Presentation] オートファジー:健康寿命延伸の鍵を握る細胞の守護者 (2022)
  • Author(s): 吉森 保
  • Organizer: HFE JAPAN2022 20周年記念シンポジウム「健康寿命のカギを握るオートファジー」
  • Invited
• [Presentation] 25 years of Autophagy: towards understanding the cellular self-degradation system fighting against disease and aging (2022)
  • Author(s): 吉森 保
  • Organizer: 第74回日本細胞生物学会大会
  • Invited
• [Presentation] オートファジー:健康寿命延伸の鍵を握る細胞の守護者 (2022)
  • Author(s): 吉森 保
  • Organizer: パナソニックDAY2.0 ライフサイエンスセミナー
  • Invited
• [Presentation] Autophagy as a Target for Health Span Extension (2022)
  • Author(s): 吉森 保
  • Organizer: The 10th International Symposium on Autophagy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 研究室HP
  • URL: https://yoshimori-lab.com
• [Remarks] オートファジーが損傷したリソソームを除去する仕組みを解明
  • URL: https://www.fbs.osaka-u.ac.jp/ja/research_results/papers/detail/1048