Analysis of lethal stress response in insects

• Project/Area Number: 22KJ0339
• Project/Area Number (Other): 21J00318 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 44050:Animal physiological chemistry, physiology and behavioral biology-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 松村 崇志 筑波大学, 生存ダイナミクス研究センター, 特別研究員(PD) (10985625)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: ストレス / 昆虫 / 個体死 / 細胞死 / プロテアーゼ / 転写因子 / 活性酸素 / カスパーゼ / 神経系

Outline of Research at the Start

Phae1は新規ストレス応答性プロテアーゼ遺伝子である。これまで、致死ストレス応答におけるPhae1の機能は未知であった。去年度までの解析の結果、Phae1の遺伝子発現は致死ストレス特異的に発現が上昇し、神経系でのカスパーゼの活性化に関与することが明らかになった。また、Phae1の変異体は致死ストレス後の生存率を増加させた。さらに、Phae1の発現を制御する転写因子としてzesteを同定した。zesteの変異体はPhae1の発現量を有意に減少させ、Phae1の変異体同様に致死ストレス後の生存率を増加させた。

Outline of Annual Research Achievements

Phae1は新規ストレス応答性プロテアーゼである。Phae1の発現を制御するシグナル経路を同定するために、前年度の研究により樹立したレポーターアッセイシステム(Phae1>luc)を用いて低分子化合物の阻害剤スクリーニングを行った。その結果、mTOR(mammalian target of rapamycin)の阻害剤として知られているラパマイシンの処理によって、ストレス誘導性のPhae1の発現および細胞死誘導が抑制されることを見出した。つぎに、神経系特異的にmTORをノックダウンした場合、致死的な高温ストレス後の生存率が、野生型の個体よりも高くなることが分かった。さらに、２０２３年度の解析から、Zesteのタンパク質発現量がmTORノックダウンによって抑制されることも分かった。以上の結果から、ストレスによって誘導されるPhae1の発現量はmTOR経路によって制御されている可能性が示唆された。
また、転写因子zesteはPhae1の遺伝子発現を制御する転写因子である。前年度のZeste組み換えタンパク質を用いてゲルシフトアッセイの結果から、ZesteのDNA結合領域がPhae1のプロモーター領域に結合し、DNA-Zesteタンパク質複合体が形成されることを明らかにした。2023年度のChip assayを用いた解析によっても、ZesteがPhae1の上流に結合することを確認できた。以上の結果から、ZesteはPhae1プロモーター領域に直接結合することで、ストレス後のPhae1の発現量を制御していることが示唆された。

Research Products

• [Journal Article] Drosophila cytokine GBP2 exerts immune responses and regulates GBP1 expression through GPCR receptor Mthl10 (2024)
  • Author(s): Ono Masaya、Matsumura Takashi、Sung Eui Jae、Koyama Takashi、Ochiai Masanori、Shears Stephen B.、Hayakawa Yoichi
  • Journal Title: Insect Biochemistry and Molecular Biology Volume: 167 Pages: 104086-104086
  • DOI: 10.1016/j.ibmb.2024.104086
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] N-acetyloxfenicine strongly induces mitohormesis in mice as well as in insects. (2023)
  • Author(s): Matsumura, T., Ono, M., Osada, S., Matsuhisa, F., Ochiai, M. and Hayakawa, Y.
  • Journal Title: FEBS Letter Volume: 597 Issue: 2 Pages: 288-297
  • DOI: 10.1002/1873-3468.14566
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stress-derived reactive oxygen species enable hemocytes to release activator of growth blocking peptide (GBP) processing enzyme (2021)
  • Author(s): Matsumoto Hitoshi、Ochiai Masanori、Imai Erina、Matsumura Takashi、Hayakawa Yoichi
  • Journal Title: Journal of Insect Physiology Volume: 131 Pages: 104225-104225
  • DOI: 10.1016/j.jinsphys.2021.104225
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Abnormal increases in reactive oxygen species in dying insects infected with nematodes. (2021)
  • Author(s): Tonogawa U, Matsumura T, Ono M, Yoshiga T
  • Journal Title: Arch Insect Biochem Physiol. Volume: - Issue: 2
  • DOI: 10.1002/arch.21758
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Stress-induced organismal death is genetically programed by the Zeste-Phae1 axis (2024)
  • Author(s): Takashi MATSUMURA, Masasuke RYUDA, Hitoshi MATSUMOTO, Takumi KAMIYAMA , Shu KONDO, Yoichi HAYAKWA , Ryusuke NIWA
  • Organizer: 27th European Drosophila Research Conference (EDRC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Zeste-Phae1 axis is responsible for stress-induced organismal death in fruit fly Drosophila melanogaster (2023)
  • Author(s): Takashi Matsumura, Masasuke Ryuda, Hitoshi Matsumoto, Takumi Kamiyama, Shu Kondo, Yoichi Hayakawa and Ryusuke Niwa
  • Organizer: 第67回日本応用動物昆虫学会
• [Presentation] The induction of organismal death requires Zeste-mediated transcriptional up-regulation of a stress-responsive protease gene Phaedra1 (2022)
  • Author(s): Takashi Matsumura, Masasuke Ryuda, Hitoshi Matsumoto, Takumi Kamiyama, Shu Kondo, Yoichi Hayakawa and Ryusuke Niwa
  • Organizer: The 15th Japan Drosophila Research Conference
• [Presentation] Identification and characterization of a novel stress response protease that mediates organismal death induction in Drosophila melanogaster (2021)
  • Author(s): Takashi Matsumura, Masasuke Ryuda, Hitoshi Matsumoto, Takumi Kamiyama, Shu Kondo, Yoichi Hayakawa and Ryusuke Niwa
  • Organizer: The 14th Japan Drosophila Research Conference
• [Presentation] 個体死誘導に関わるキイロショウジョウバエ新規ストレス応答性プロテアーゼの同定と機能解析 (2021)
  • Author(s): Takashi Matsumura, Masasuke Ryuda, Hitoshi Matsumoto, Takumi Kamiyama, Shu Kondo, Yoichi Hayakawa and Ryusuke Niwa
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会