苔類ゼニゴケの油体をモデルとしたオルガネラ壁構築機構

• Project/Area Number: 22K06272
• 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: 金澤 建彦 基礎生物学研究所, 細胞動態研究部門, 助教 (60802783)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: オルガネラ / 膜交通 / 分泌 / 細胞壁 / 油体 / ゼニゴケ / 液胞

Outline of Research at the Start

単膜系オルガネラへの物質輸送「膜交通」は、真核生物で高度に保存されている一方、進化の過程で独自のオルガネラを獲得した系統も存在する。コケ植物苔類の「油体」を系統独自に獲得されたオルガネラのモデルとし、分泌経路の再配向の分子基盤の解明、油体壁の実体解明、その形成機構と生理学的意義の解明を目指す。これらの解析を通し、陸上植物における新規オルガネラ獲得とその過程における膜交通の役割に関する知見を得る。

Outline of Annual Research Achievements

本課題では、苔類ゼニゴケの油体をモデルとし、分泌経路の再配向により形成されるオルガネラ・細胞構造の特徴およびその形成に関わる分子機構の解明を目指している。油体は、苔類に特有のオルガネラであり、その内腔に細胞毒性の高い特化代謝産物を蓄積する。ゼニゴケの油体は分泌経路の再配向により形成され、その表面は凹凸の構造を有する。分泌経路の転用により獲得された系統独自のオルガネラの力学的強度が、オルガネラ内腔に面した細胞壁様構造により付与されているとの着想のもと、これをオルガネラ壁、特に油体内腔に形成されるものを油体壁と命名し、その実体および構築機構、生理的意義の解明を進めている。
変異体スクリーニングにより得られた油体形成異常変異体の原因遺伝子およびその機能解析、免疫抗体染色による油体壁構成成分の検出および同定を行うとともに、単離油体を用いた生化学的な成分分析も実施する。油体壁の合成酵素および分解酵素の過剰発現・機能欠損を作出し、油体内腔の化合物蓄積量および漏出量と油体壁頑健性を測定することで、油体壁の生理学的意義の解明を目指す。
2023年度は、油体表面の凹凸構造・複雑性が減少する変異体Mpshoとその原因遺伝子MpCPYに関する解析を進めた。油体の変異体スクリーニングを実施し、油体が球形になる変異体Mpshoを単離し、その原因遺伝子MpCPYを同定した。MpCPYはセリンカルボキシペプチダーゼ様タンパク質の1つであり、その酵母オーソログCPYは、液胞の主要なタンパク質加水分解酵素として知られる。MpCPYは油体ではなく、液胞内に局在し、また、酵素活性中心に不活性型変異を入れた変異型MpCPYは油体形態異常を抑圧できることを見出した。1) MpCPYには酵素以外の機能を有すること、2)油体と液胞間の未知の相互作用が存在することが示唆され、ここまでの成果について、国際誌に投稿した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

2023年度は液胞局在MpCPYの変異体Mpshoの解析を中心に進めた。Mpsho変異体は、順遺伝学スクリーニングにより得られ、油体の複雑な表面構造が形成できず、野生型より油体の真円度が上昇するが、その他の発生異常は見られない。この原因遺伝子はセリンカルボキシペプチダーゼ様タンパク質の一つMpCPYであり、酵母のオーソログCPYは、液胞の代表的なタンパク質加水分解酵素として知られる。MpCPYは、油体ではなく、液胞に局在し、セリンペプチダーゼの活性中心トライアード（Ser, Asp, His）をアラニン置換した変異型MpCPYを導入した場合でも、Mpsho変異体の球状油体の表現型が回復した。これらのことから、1) MpCPYは酵素以外の機能を有すること、2)油体と液胞間の未知の相互作用が存在することが示唆され、ここまでの成果を国際誌に投稿した。油体と液胞機能についてさらに知見を得るため、ドイツCentre for Organismal Studies (COS) HeidelbergのKarin Schumacher教授の主催する研究室に短期間滞在し、液胞酸性化とその酵素の局在制御について研究を展開させた。

Strategy for Future Research Activity

2023年度の研究により、油体の形態制御および力学強度の維持が、分泌経路だけでなく、液胞機能との関連を見出すことができ、Karin Schumacher教授と共同研究を展開させることができた。2024年度は、油体と液胞との関連をより発展させる。液胞輸送関連因子Vacuolar protein sorting（VPS）の機能阻害変異体により引き起こされる油体の形態異常がどのような分子実体により制御されているかを明らかにする。他に得られている球状油体変異体Mpsec28（Kanazawa et al., 2023）とMpsho変異体間で油体壁の構成成分および油体壁力学的強度を比較することで、特に油体壁頑健性に関わる分子実体を同定する。また、単離油体の破壊実験を行い、油体の力学的特性の詳細を明らかにする。
細胞骨格阻害剤によっても同様に油体形態異常を示すことを見出しており、2024年度はその解析も並行して進める。油体壁合成関連因子を近接依存性標識法により同定を進めるとともに、細胞骨格との多重染色により油体壁および油体壁合成関連因子の輸送過程を詳細に観察・解析を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] COS Heidelberg/MPIPZ(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Universidad Nacional del Litoral-CONICET(アルゼンチン)
• [Int'l Joint Research] Monash University(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] Heidelberg University/MPIPZ(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University of Cambridge(英国)
• [Journal Article] LysM-mediated signaling in Marchantia polymorpha highlights the conservation of pattern-triggered immunity in land plants (2023)
  • Author(s): Yotsui Izumi ..., Takashi Ueda (22人中20番目)...
  • Journal Title: Current Biology Volume: 33 Issue: 17 Pages: 3732-3746.e8
  • DOI: 10.1016/j.cub.2023.07.068
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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] 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
• [Presentation] ゼニゴケ油体形成期に再編成される新奇微小管構造 (2024)
  • Author(s): 金澤 建彦, 上田 貴志
  • Organizer: 第65回大会日本植物生理学会年会
• [Presentation] ゼニゴケ油体形成過程に観られる新奇細胞骨格構造 (2023)
  • Author(s): 金澤 建彦, 上田 貴志
  • Organizer: 日本植物学会大会第87回大会
• [Presentation] A novel microtubule structure for oil body biogenesis in Marchantia polymorpha (2023)
  • Author(s): Takehiko Kanazawa, Takashi Ueda
  • Organizer: Taiwan-Japan Plant Biology 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Normal oil body formation in Marchantia polymorpha requires COPI-mediated secretory activity (2022)
  • Author(s): 金澤 建彦, 上田 貴志
  • Organizer: 第74回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] 苔類油体形成時における微小管再編成機構 (2022)
  • Author(s): 金澤建彦
  • Organizer: JANPER & 細胞骨格研究会 合同大会
• [Presentation] 苔類ゼニゴケの油体形成における 分泌輸送経路の役割 (2022)
  • Author(s): 金澤 建彦, 上田 貴志
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
• [Presentation] Secretory activity is required for oil body formation in Marchantia polymorpha. (2022)
  • Author(s): Kanazawa T., & Ueda T.
  • Organizer: COS symposium 2022 in Heidelberg
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 食べられる!?ゼニゴケの作り方 ~膜交通の多様化からオルガネラ誕生を考える~ (2022)
  • Author(s): 金澤 建彦
  • Organizer: The 122nd Scienc-ome
• [Presentation] 液胞局在タンパク質MpSHO1が介在する油体形成機構 (2022)
  • Author(s): 金澤 建彦, 八野田 奨, 上田 貴志
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会