Research in lysosomal dysfunction and neuron-specific autophagy

• Project Area: Multimode autophagy: Diverse pathways and selectivity
• Project/Area Number: 20H05342
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Juntendo University
• Principal Investigator: 谷田 以誠 順天堂大学, 医学部, 先任准教授 (30296868)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: カテプシン / リソソーム / オートファジー / 神経変性 / 神経セロイドリポフスチン症 / 中枢神経 / シヌクレイン / タウ / 神経変性疾患 / in-resin CLEM / 光線－電子線相関顕微鏡法 / autophagy / cathepsin / lysosome / neurodegeneration

Outline of Research at the Start

リソソームはマルチモード・オートファジーの終着点であり“分解”そのものを担っている。そこで、リソソーム機能不全をおこしているカテプシンD機能欠損モデルマウスの神経変性の発症を解析することにより、神経細胞特異的で神経変性に関わるオートファジーが明らかにできるのではないかと考えた。まずCtsDノックアウトマウス脳内タンパク質の経時変化について、、次世代型定量プロテオミクス解析（SWATH解析）をおこなう。機能欠損変異カテプシンD過剰発現によって、タンパク質異常蓄積が引き起こされるか否かを解析する。またSWAITH解析で絞られてきた、神経変性の主因候補に関して、神経変性への関与の可否を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

オートファジー・リソソーム分解系の研究において、“リソソームによる分解”はどのマルチモードオートファジーにおいても避けられない“分解”を司る必須の過程である。リソソームの主要タンパク質分解酵素の一つカテプシンDの遺伝子は、神経セロイドリポフスチン症原因遺伝子の一つCLN10と同一である。そこで、中枢神経特異的カテプシンD機能欠損モデルマウスの神経変性の発症を解析することにより、神経変性に関わるモードのオートファジーが明らかにできるのではないかと考え、本申請研究を行った。中枢神経特異的カテプシンD機能欠損モデルマウス脳においては神経セロイドリポフスチン症患者と同様に早期からセロイド-リポフスチンの蓄積が認められ、患者脳でも特徴的に認められる、GRODという凝集体が、このモデルマウス脳でも認められた。免疫組織学的にはユビキチン陽性シグナルの増加、オートファジー関連タンパク質（LC3, p62, Nbr1）シグナルの増加が中枢神経組織に認められた。また、活性化したミクログリアおよび活性化したアストロサイトが顕著に増加していた。中枢神経系におけるオートファジー・リソソーム分解系の破綻は、プロテオイノパチーとの関連も考えられるため、パーキンソン病患者で認められるリン酸化αシヌクレイン、アルツハイマー病患者で認められる過剰にリン酸化されたタウタンパク質を調べるといずれも中枢神経特異的カテプシンD機能欠損モデルマウス脳で早期に増加していた。これらのことは、このモデルマウスは神経セロイドリポフスチン症のみならず、中枢神経におけるプロテオイノパチーの発症メカニズムや解析へと応用できる可能性が高い。また、中枢神経組織において非常に有効なビオチンリガーゼを用いた新規超微形態解析法も開発した。いずれも、Scientific Reportsに投稿、現在、リバイス中である。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Osmium resistant fluorescent proteins and in-resin correlative light-electron microscopy of Epon-embedded mammalian cultured cells (2022)
  • Author(s): Tanida I, Yamaguchi J, Kakuta S, Uchiyama Y.
  • Journal Title: Methods Mol Biol Volume: in press
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Membranous Structures Directly Come in Contact With p62/SQSTM1 Bodies (2021)
  • Author(s): Tanida Isei、Haruta Tomohiro、Suga Mitsuo、Takei Shunsuke、Takebe Akira、Furuta Yoko、Yamaguchi Junji、Oliva Trejo Juan Alejandro、Kakuta Soichiro、Uchiyama Yasuo
  • Journal Title: Journal of Histochemistry & Cytochemistry Volume: 69 Issue: 6 Pages: 407-414
  • DOI: 10.1369/00221554211011423
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis of antiviral activity of caffeic acid against severe fever with thrombocytopenia syndrome virus (2021)
  • Author(s): Ogawa Motohiko、Shirasago Yoshitaka、Tanida Isei、Kakuta Soichiro、Uchiyama Yasuo、Shimojima Masayuki、Hanada Kentaro、Saijo Masayuki、Fukasawa Masayoshi
  • Journal Title: Journal of Infection and Chemotherapy Volume: 27 Issue: 2 Pages: 397-400
  • DOI: 10.1016/j.jiac.2020.10.015
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two-color in-resin CLEM of Epon-embedded cells using osmium resistant green and red fluorescent proteins (2020)
  • Author(s): Tanida Isei、Furuta Yoko、Yamaguchi Junji、Kakuta Soichiro、Oliva Trejo Juan Alejandro、Uchiyama Yasuo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 21871-21871
  • DOI: 10.1038/s41598-020-78879-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Visualization of cytoplasmic organelles via in-resin CLEM using an osmium-resistant far-red protein (2020)
  • Author(s): Tanida Isei、Kakuta Soichiro、Oliva Trejo Juan Alejandro、Uchiyama Yasuo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 11314-11314
  • DOI: 10.1038/s41598-020-68191-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Characterization of starvation-induced autophagy in cerebellar Purkinje cells of pHluorin-mKate2-human LC3B transgenic mice. (2020)
  • Author(s): Juan Alejandro Oliva Trejo, Isei Tanida, Chigure Suzuki, Soichiro Kakuta, Norihiro Tada, and Yasuo Uchiyama.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10(1) Issue: 1 Pages: 9643-9643
  • DOI: 10.1038/s41598-020-66370-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Blood group P1 antigen?bearing glycoproteins are functional but less efficient receptors of Shiga toxin than conventional glycolipid-based receptors (2020)
  • Author(s): Morimoto K, Suzuki N, Tanida I, Kakuta S, Furuta Y, Uchiyama Y, Hanada K, Suzuki Y, Yamaji T.
  • Journal Title: J Biol Chem Volume: 295 Issue: 28 Pages: 9490-9501
  • DOI: 10.1074/jbc.ra120.013926
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] In-resin 光線-電子線相関顕微鏡法の進展～３D＆マルチカラー (2021)
  • Author(s): 谷田以誠
  • Organizer: 第126回解剖学会総会・全国学術集会/ 第98回日本整理学会
• [Presentation] CLEM 蛍光タンパク質~エポキシ樹脂包埋生物試料のマルチカラーin-resin CLEMへの適用 (2021)
  • Author(s): 谷田以誠
  • Organizer: 第126回解剖学会総会・全国学術集会/ 第98回日本整理学会
  • Invited
• [Presentation] エポン包埋試料を用いた2カラーin-resin CLEM (2021)
  • Author(s): 谷田以誠
  • Organizer: 第126回解剖学会総会・全国学術集会/ 第98回日本整理学会
  • Invited
• [Presentation] 蛍光タンパク質を用いたエポン樹脂包埋試料の２色In-resin CLEM (2021)
  • Author(s): 谷田以誠
  • Organizer: 第77回日本顕微鏡学会学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 中枢神経特異的CtsDノックアウトマウスの解析と In-resin CLEMについて (2021)
  • Author(s): 谷田以誠
  • Organizer: 新学術領域「マルチモート&オートファジー」 第3回班会議・第14回オートファジー研究会
• [Presentation] Two-color in-resin CLEM of Epon-embedded cells (2021)
  • Author(s): Isei Tanida
  • Organizer: Collaborative Session 5 CLEM: the forefront of the method filling the gaps between light and electron microscopy, 第126回 日本解剖学会総会・全国学術集会・第98回 日本生理学会大会
  • Invited
• [Presentation] Recent advances of in-resin CLEM of Epon-embedded samples (2021)
  • Author(s): Isei Tanida
  • Organizer: Symposium 18 New Approach for Electron Beam-based Organelle-imaging Symposium, 第126回 日本解剖学会総会・全国学術集会・第98回 日本生理学会大会
• [Remarks] 順天堂大学 老研センター 神経疾患病態構造学
  • URL: https://research-center.juntendo.ac.jp/rojinsei_shikkan/research/r1/
• [Remarks] 蛍光タンパク質を用いた高精度２色光線-電子相関顕微鏡法を開発
  • URL: https://www.juntendo.ac.jp/news/20201223-06.html
• [Remarks] 高精度の光線-電子相関顕微鏡法の開発に成功
  • URL: https://www.juntendo.ac.jp/news/20200709-01.html
• [Remarks] 脳神経細胞内オートファジーを可視化する動物モデルを開発
  • URL: https://www.juntendo.ac.jp/news/20200615-02.html