オートファジーアダプターをハブとした損傷ミトコンドリア分解機構

• Project/Area Number: 23K23841
• Project/Area Number (Other): 22H02577 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43030:Functional biochemistry-related
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 山野 晃史 東京医科歯科大学, 難治疾患研究所, 准教授 (30547526)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2025: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2024: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
• Keywords: オートファジー / ユビキチン / ミトコンドリア / マイトファジー / パーキンソン病 / RAB GTPase / オートファジーアダプター

Outline of Research at the Start

損傷したミトコンドリアを検知して選択的オートファジーで分解・除去すること（マイトファジー）は、品質管理の要諦である。オプティニューリン（OPTN）とNDP52はそれぞれ独立に機能するマイトファジーに必須のオートファジーアダプターであり、ユビキチンとオートファジー膜（隔離膜）を橋渡しする。本研究では、OPTNやNDP52がミトコンドリアというサイズの大きなオルガネラを効率的に隔離膜で包囲する分子機構を、それらと相互作用するキナーゼTBK1の機能と合わせて解明する。

Outline of Annual Research Achievements

ミトコンドリアはATP合成をはじめとして様々な代謝反応に必須のオルガネラである。ATP合成の副産物である活性酸素などによって損傷を受けたミトコンドリアは、オートファジーを介して選択的に分解される（マイトファジー）。ミトコンドリア損傷の目印は外膜に付加されるユビキチン鎖であるが、それを読み取り、オートファジーに伝えるのがオートファジーアダプターである。特にOPTNとNDP52はマイトファジーに必須のアダプターである。これまで研究代表者はOPTNの分子機能を明らかにしてきたが、NDP52の機能解析は十分ではなかった。特にNDP52を介したマイトファジーにはOPTNと同様、TBK1キナーゼが必要であると示唆されていたが、分子機構は不明であった。
そこで、NDP52とTBK1の機能的関連を調べるために、NAP1/AZI2とTBKBP1/SINTBADに着目した。これらはNDP52とTBK1の相互作用に必要な仲介分子として考えられているため、CRISPR/Cas9法でノックアウト細胞を作成した。さらにこれらにOPTNのノックアウトも加えたトリプルノックアウト細胞も作製した。そしてParkin依存性マイトファジーの効率を調べたところ、NAP1/AZI2がマイトファジーの駆動に必須であるが、TBKBP1/SINTBADは不要であることがわかった。重複した機能をもつアダプター分子の個々の細胞内機能を調べることで、ミトコンドリア分解の理解を深めることができた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

NDP52とTBK1の相互作用に必要な仲介分子であるNAP1/AZI2とTBKBP1/SINTBADのシングルノックアウト細胞、ダブルノックアウト細胞、またOPTNとのトリプルノックアウト細胞を作製した。これらの細胞を用いてParkin依存性マイトファジーを詳細に調べ、NAP1/AZI2がマイトファジーの駆動に必須であるが、TBKBP1/SINTBADは不要であることを突き止めた。NAP1/AZI2の細胞内動態解析とも合わせて、ミトコンドリア分解の新しい知見が得られた。

Strategy for Future Research Activity

NAP1/AZI2とTBKBP1/SINTBADはNDP52だけでなく、もう一つのオートファジーアダプターであるTAX1BP1とも相互作用することが知られているが、その細胞内機能や生理的意義は全く不明である。ミトコンドリア分解以外の選択的オートファジーにおいてもTBK1の活性化が重要であるため、今後はマイトファジーの枠にとらわれず、包括的にオートファジーアダプター、TBK1、NAP1/AZI2およびTBKBP1/SINTBADの機能的連携を明らかにしていきたい。

Research Products

• [Journal Article] Optineurin provides a mitophagy contact site for TBK1 activation (2024)
  • Author(s): Yamano Koji、Sawada Momoha、Kikuchi Reika、Nagataki Kafu、Kojima Waka、Endo Ryu、Kinefuchi Hiroki、Sugihara Atsushi、Fujino Tomoshige、Watanabe Aiko、Tanaka Keiji、Hayashi Gosuke、Murakami Hiroshi、Matsuda Noriyuki
  • Journal Title: The EMBO Journal Volume: 43 Issue: 5 Pages: 754-779
  • DOI: 10.1038/s44318-024-00036-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Mitochondrial lipid dynamics regulated by MITOL-mediated ubiquitination (2023)
  • Author(s): Yamano Koji、Kinefuchi Hiroki、Kojima Waka
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: 175 Issue: 3 Pages: 217-219
  • DOI: 10.1093/jb/mvad117
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mitochondrial quality control via organelle and protein degradation (2023)
  • Author(s): Yamano Koji、Kinefuchi Hiroki、Kojima Waka
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: 175 Issue: 5 Pages: 487-494
  • DOI: 10.1093/jb/mvad106
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Elucidation of ubiquitin-conjugating enzymes that interact with RBR-type ubiquitin ligases using a liquid-liquid phase separation-based method (2023)
  • Author(s): Hayashida Ryota、Kikuchi Reika、Imai Kenichiro、Kojima Waka、Yamada Tatsuya、Iijima Miho、Sesaki Hiromi、Tanaka Keiji、Matsuda Noriyuki、Yamano Koji
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 299 Issue: 2 Pages: 102822-102822
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102822
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Integrated proteomics identifies p62-dependent selective autophagy of the supramolecular vault complex (2023)
  • Author(s): Kurusu Reo、Fujimoto Yuki、Morishita Hideaki、Noshiro Daisuke、Takada Shuhei、Yamano Koji、Tanaka Hideaki、Arai Ritsuko、Kageyama Shun、Funakoshi Tomoko、Komatsu-Hirota Satoko、Taka Hikari、Kazuno Saiko、Miura Yoshiki、Koike Masato、Wakai Toshifumi、Waguri Satoshi、Noda Nobuo N.、Komatsu Masaaki
  • Journal Title: Developmental Cell Volume: － Issue: 13 Pages: 1189-1205
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2023.04.015
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Identification and functional analysis of a folding chaperone for RAB7A GTPase (2023)
  • Author(s): Koji Yamano
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] RABタンパク質の安定化と分解による品質管理 (2023)
  • Author(s): 遠藤龍、 松田憲之、 山野晃史
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ミトコンドリアを軸にしたオートファジー制御因子の機能解析 (2022)
  • Author(s): 小島 和華
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会
• [Presentation] オートファジーアダプターと損傷ミトコンドリア分解 (2022)
  • Author(s): 山野 晃史
  • Organizer: 第74回日本細胞生物学会大会
  • Invited
• [Book] 実験医学 (2023)
  • Author(s): 山野晃史
  • Total Pages: 7
  • Publisher: 羊土社
• [Remarks] 損傷ミトコンドリアがオートファジーで選択的に分解される作用機序を解明
  • URL: https://www.tmd.ac.jp/press-release/20240206-1/
• [Remarks] Even cells know the importance of recycling
  • URL: https://www.eurekalert.org/news-releases/1037338