Study of the molecular mechanisms that guarantee the functional quality and quantity of the actin cytoskeleton

Research Project

Project/Area Number	23K05746
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 44010:Cell biology-related
Research Institution	University of Tsukuba
Principal Investigator	中野賢太郎筑波大学, 生命環境系, 教授 (50302815)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	松田真弥筑波大学, 生命環境系, 特任助教 (40805488) 森田陸離筑波大学, 計算科学研究センター, 研究員 (90896268)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000) Fiscal Year 2026: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2025: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000) Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywords	アクチン / リン酸化 / テトラヒメナ / 微小管 / 細胞骨格 / タンパク質分解 / 細胞運動
Outline of Research at the Start	アクチン細胞骨格の構築や機能は、多様なアクチン結合蛋白質 (ABP) の働きを中心に理解されてきたが、細胞内のアクチン繊維の絶対量を決める仕組みや、細胞骨格機能の破綻による不良なサブユニットを積極的に細胞から除去する仕組みは未だ謎である。我々は、単細胞生物のテトラヒメナがアクチンの異常を感知し、遺伝子発現量の制御や蛋白質分解を伴い、正常な細胞骨格機能を回復する現象を発見した。この現象の解明は上記の謎を解く糸口となり得る。本研究は、動植物の発生過程でアクチンアイソフォームが入れ替る仕組みや、細胞の代謝異常とアクチン動態の機能連携の理解など、細胞生物学諸分野への学術的波及効果が期待できる。
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、繊毛虫テトラヒメナがアクチン重合阻害剤 LA によりアクチンが重合できなくなった状態を感知し、その状態を代償する仕組みを調べることで、今まで知られていなかった細胞内のアクチン細胞骨格の状態を監視し、細胞内のアクチン細胞骨格の機能を正常に保つ仕組みの解明を目指している。LA 耐性能獲得の過程でテトラヒメナはアクチン細胞骨格の主成分である ACT1 を分解し、普段はほとんど発現していない ACT2 を急激に発現する。ACT2 KO 株はLA耐性能を獲得できない。トランスクリプトーム解析により、LA 処理に伴い ACT2 と共に発現量が増加するアクチンフラグミンキナーゼ actin-fragmin kinase (AFK) の細胞機能を今年度は重点的に調べた。Tt AFK は、N 末端側にキナーゼドメインを有し、C 末端側に QN-rich配列を有する。Tt AFK 過剰発現株（eGFP-Tt AFK）を作製し、発現誘導後、LA 処理を施した。その結果、eGFP-Tt AFK 過剰発現細胞は、野生型と比較してLA耐性能の獲得が早まった。さらに、キナーゼドメインを欠失した eGFP-TtAFKC や QN-rich ドメインを欠失した eGFP-TtAFKN について調べた。その結果、eGFP-Tt AFKN 過剰発現は LA 耐性能の獲得を早めるのが分かった。一方、eGFP-Tt AFKC の過剰発現は野生型と比較して明瞭な差は認められなかった。また、Tt AFK のシャットオフ株を作製した。しかし、Tt AFK の発現の有無に関わらず細胞は LA 耐性能を獲得できた。テトラヒメナは Tt AFK が作用する経路とは別に、LA耐性能を獲得する経路を有するのかもしれない。今後、LA 処理細胞でアクチンがリン酸化されるか、それは Tt AFK によるか調べていきたい。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 研究室がある建物の大規模な改修工事があり、2023年９月から11月の３ヶ月間、遺伝子組換え実験を中止せざるを得ない状況にあったため。
Strategy for Future Research Activity	細胞がアクチンを管理する仕組みを調べるため、LA 処理前後の細胞からアクチンを免疫沈降して共沈降物を調べる。また、Tt AFK によるアクチンのリン酸化の可能性を探る。推定リン酸化サイトについては、in silico 解析で目星はつけてある。そのサイトに変異を導入したアクチンを細胞に発現する実験を進める。研究の進捗状況を見定めつつ、Tt AFK の過剰発現や変異型アクチンの発現時に、ACT2 の発現量の変動を調べる。その結果を見ながら、トランスクリプトーム解析を検討する。一方、LA 処理の伴うアクチンのタンパク質分解機構について、オートファジー経路とユビキチン経路を中心に調べる。前者については、ATG8 アイソフォーム5種の各シャットオフ株を利用し、LA 処理後のアクチンの細胞量や局在をコントロール株のものと比較する。後者については、プロテアソーム阻害剤を利用する。さらに、LA 処理で発現量が増加する遺伝子群 (ACT2, Tt AFK 等) は、細胞の飢餓時にも転写誘導される。アクチン細胞骨格は食胞形成に必要なため、両者の間に有機的機能連携が伺える。動植物では、アクチンの動態変化は大量に ATP を消費するため、代謝に支障が起きるとアクチン細胞骨格の挙動を積極的に制御する事例が複数報告されているが、その詳細は不明である。そこで、細胞のエネルギー代謝の中心にある TOR シグナルについてテトラヒメナで解析し、上述した現象との関係を探る。そのためにラパマイシン処理を利用する計画である。