損傷葉緑体を除去するミクロオートファジーの作動機構

• Project Area: Multimode autophagy: Diverse pathways and selectivity
• Project/Area Number: 20H05352
• 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: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 中村 咲耶 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 訪問研究員 (20845151)
• 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: クロロファジー / 葉緑体 / ミクロオートファジー / 光障害 / シロイヌナズナ

Outline of Research at the Start

植物細胞内で光合成を担うオルガネラである葉緑体は、太陽光によるダメージを常に受けている。私たちは、損傷した葉緑体はどう処理されるのか？に着目し、葉緑体を丸ごと分解するオートファジー・クロロファジーが働くことを発見した。さらにこの経路は、液胞膜が葉緑体の隔離に関わるミクロオートファジーを介する「ミクロクロロファジー」であることを明らかにした。本研究のでは、ミクロクロロファジーの具体的な作動機構を確立し、領域が着目するマルチモードオートファジーの一経路として確立することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本計画は、申請者らが見出した、損傷葉緑体を除去する選択的ミクロオートファジー「ミクロクロロファジー」作動の仕組みを解明し、マルチモードオートファジーの一経路として確立することを目指すものである。特に、ミクロクロロファジーの作動機構として、細胞内の膜ダイナミクス、関連する遺伝子機能、の2点に焦点を当てた解析を行った。
昨年度までに整備したマクロオートファジー機能欠損株、を用いて、ミクロクロロファジー経路における既知のマクロオートファジー関連遺伝子群 (ATGs) の必須性調査をより詳細に行った。特に、これまでにシロイヌナズナで報告のないATG遺伝子欠損株については、各種蛍光タンパク質マーカーを導入し、ミクロクロロファジーおよび葉緑体部分分解経路の活性評価を行った。また、複数のホモログがある遺伝子については、T-DNA挿入変異株と自ら作成したゲノム編集株を組み合わせ多重変異系統の整備を進めた。加えて、ミクロクロロファジーの活性評価をより簡便に行うことを目指し、膜プローブを用いた観察系を構築した。これらの解析を通して、マクロオートファジーと、ミクロクロロファジーそれぞれに必須となるATG遺伝子の分類分けをさらに進めることができた。
ミクロクロロファジー特異的抑制株の原因遺伝子としてこれまでに同定したCHLOROPHAGY1 (CPG1) およびCPG2の機能解析を進めた。CRISPR/Cas9法により各遺伝子欠損株をそれぞれ作出、整備し、ミクロクロロファジー活性が低下することを確認した。また各遺伝子に蛍光タンパク質を融合したコンストラクトを用いて、その局在変化を観察した。また、CPG1、CPG2それぞれにホモログ遺伝子が確認されたため、それらの変異株についてもミクロクロロファジー活性調査を行ったが、ホモログ遺伝子欠損による活性への影響は見られなかった。

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] Development of 1,8-naphthalimide dyes for rapid imaging of subcellular compartments in plants (2022)
  • Author(s): Kusano Shuhei、Nakamura Sakuya、Izumi Masanori、Hagihara Shinya
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 58 Issue: 11 Pages: 1685-1688
  • DOI: 10.1039/d1cc05798g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mitophagy in plants (2021)
  • Author(s): Nakamura Sakuya、Hagihara Shinya、Izumi Masanori
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects Volume: 1865 Issue: 8 Pages: 129916-129916
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2021.129916
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 葉緑体オートファジーの研究展開：植物を超えた議論の発展を目指して (2021)
  • Author(s): 中村咲耶、泉正範
  • Journal Title: BSJ-Review Volume: 12 Issue: A Pages: 68-77
  • DOI: 10.24480/bsj-review.12a8.00201
  • ISSN: 2432-9819
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Autophagy Contributes to the Quality Control of Leaf Mitochondria (2020)
  • Author(s): Nakamura Sakuya、Hagihara Shinya、Otomo Kohei、Ishida Hiroyuki、Hidema Jun、Nemoto Tomomi、Izumi Masanori
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: － Issue: 2 Pages: 229-247
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa162
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] RCB-mediated chlorophagy caused by oversupply of nitrogen suppresses phosphate-starvation stress in plants (2020)
  • Author(s): Yoshitake Yushi、Nakamura Sakuya、Shinozaki Daiki、Izumi Masanori、Yoshimoto Kohki、Ohta Hiroyuki、Shimojima Mie
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 185 Pages: 318-330
  • DOI: 10.1093/plphys/kiaa030
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chlorophagy does not require PLANT U-BOX4-mediated ubiquitination (2020)
  • Author(s): Nakamura Sakuya、Izumi Masanori
  • Journal Title: Plant Signaling & Behavior Volume: 16 Issue: 3 Pages: 1861769-1861769
  • DOI: 10.1080/15592324.2020.1861769
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chloroplast Autophagy and Ubiquitination Combine to Manage Oxidative Damage and Starvation Responses (2020)
  • Author(s): Kikuchi Yuta、Nakamura Sakuya、Woodson Jesse D.、Ishida Hiroyuki、Ling Qihua、Hidema Jun、Jarvis R. Paul、Hagihara Shinya、Izumi Masanori
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 183 Issue: 4 Pages: 1531-1544
  • DOI: 10.1104/pp.20.00237
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of potent inhibitors for strigolactone receptor DWARF 14 (2020)
  • Author(s): Yoshimura Masahiko、Kim Sojung F.、Takise Ryosuke、Kusano Shuhei、Nakamura Sakuya、Izumi Masanori、Yagi Akiko、Itami Kenichiro、Hagihara Shinya
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 56 Issue: 94 Pages: 14917-14919
  • DOI: 10.1039/d0cc01989e
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Plant mitophagy contributes to the maintenance of mitochondrial population and quality in Arabidopsis leaves (2021)
  • Author(s): 中村咲耶、萩原伸也、大友康平、石田宏幸、日出間純、根本知己、泉正範
  • Organizer: 第62回 日本植物生理学会年会