Elucidation of the noncanonical functions of ATG conjugation system and their roles in neurodegeneration

• Project Area: Multimode autophagy: Diverse pathways and selectivity
• Project/Area Number: 22H04638
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 桑原 知樹 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 講師 (10533903)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: オートファジー / リソソーム / ATG結合系 / 神経変性 / LRRK2

Outline of Research at the Start

ATG12-5-16L1を含むATG結合系はオートファジーにおいてLC3をオートファゴソーム二重膜に結合させるが、エンドリソソーム一重膜にLC3を結合させる非オートファジー機能も知られている。しかしその役割やメカニズムは不明な点が多い。我々はパーキンソン病病因キナーゼLRRK2がこのATG非オートファジー機能に鍵分子として関与し、リソソーム恒常性を維持する可能性を見出した。そこで本研究では、細胞におけるこの新規ATG非オートファジー機能の詳細を解明するとともに、非オートファジー機能欠損マウスの解析をすすめ、神経変性との関係など成体における役割を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

ATG12-5-16L1複合体はオートファジーにおける機能とは別に、CASM（Conjugation of ATG8 to Single Membranes）と呼ばれる機構により、LC3などのAtg8ファミリー分子をリソソーム一重膜に結合させる。我々はこれまでに、LC3のほかにパーキンソン病（PD）病因キナーゼLRRK2もCASMを介してリソソームに局在化することを明らかにしてきた。本年度はまず、投稿論文の改訂のため、LRRK2のリソソーム一重膜上への局在化をCLEM法による電子顕微鏡観察により確認するとともに、LC3, GABARAPなどの6種類のAtg8分子とLRRK2との結合の有無について検討し、免疫沈降法ではいずれの分子とも結合しないことを確認した。またATG4の阻害によりAtg8脂質化を変化させてもLRRK2の局在や活性には影響しなかったことから、LRRK2のリソソーム局在化はAtg8との結合を介さないものと推察された。これらのデータは論文改訂後、J Cell Biol誌に発表した。
CASMによるLRRK2制御機構についてはさらに検討を行った。LRRK2がATG16L1およびリソソームV-ATPaseと直接結合する可能性や、V-ATPaseの強制活性化によりLRRK2活性化が誘導されること、これによりリソソームの細胞外放出が誘導されることを見出した。神経変性との関連については、LRRK2の家族性PD変異の効果について解析を行ったが、明確な効果は認められなかった。リソソーム細胞外放出においてはエクソソーム様小胞の放出を伴うこと、細胞内在化した不溶性αシヌクレインも同時に放出され、これが受け手側の細胞内において凝集誘導能を有することなどを明らかにした。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of East Anglia(英国)
• [Int'l Joint Research] Memorial Sloan Kettering Cancer Center(米国)
• [Int'l Joint Research] University of East Anglia(英国)
• [Int'l Joint Research] Memorial Sloan Kettering Cancer Center(米国)
• [Journal Article] CASM mediates LRRK2 recruitment and activation under lysosomal stress (2024)
  • Author(s): Kuwahara Tomoki、Iwatsubo Takeshi
  • Journal Title: Autophagy Volume: Mar 21 Issue: 7 Pages: 1-2
  • DOI: 10.1080/15548627.2024.2330032
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Lysosomal stress drives the release of pathogenic α-synuclein from macrophage lineage cells via the LRRK2-Rab10 pathway (2024)
  • Author(s): Abe Tetsuro、Kuwahara Tomoki、Suenaga Shoichi、Sakurai Maria、Takatori Sho、Iwatsubo Takeshi
  • Journal Title: iScience Volume: 27 Issue: 2 Pages: 108893-108893
  • DOI: 10.1016/j.isci.2024.108893
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The V-ATPase-ATG16L1 axis recruits LRRK2 to facilitate the lysosomal stress response (2024)
  • Author(s): Eguchi Tomoya、Sakurai Maria、Wang Yingxue、Saito Chieko、Yoshii Gen、Wileman Thomas、Mizushima Noboru、Kuwahara Tomoki、Iwatsubo Takeshi
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 223 Issue: 3
  • DOI: 10.1083/jcb.202302067
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An Update on the Interplay between LRRK2, Rab GTPases and Parkinson’s Disease (2023)
  • Author(s): Komori Tadayuki、Kuwahara Tomoki
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 13 Issue: 11 Pages: 1645-1645
  • DOI: 10.3390/biom13111645
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phosphorylation of Rab29 at Ser185 regulates its localization and role in the lysosomal stress response in concert with LRRK2 (2023)
  • Author(s): Komori Tadayuki、Kuwahara Tomoki、Fujimoto Tetta、Sakurai Maria、Koyama-Honda Ikuko、Fukuda Mitsunori、Iwatsubo Takeshi
  • Journal Title: Journal of Cell Science Volume: 136 Issue: 14
  • DOI: 10.1242/jcs.261003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ATG8結合系とLRRK2によるリソソーム恒常性維持機構 (2023)
  • Author(s): 桑原知樹, 江口智也, 櫻井まりあ, Yingxue Wang, 齊藤知恵子, 吉井元, Thomas Wileman, 水島昇, 岩坪威
  • Organizer: 第15回オートファジー研究会／第5回マルチモードオートファジー班会議
• [Presentation] パーキンソン病病因キナーゼLRRK2が制御するリソソーム内容物分泌機構の解析 (2023)
  • Author(s): 櫻井まりあ, 桑原知樹, 江口智也, 岩坪威
  • Organizer: 第15回オートファジー研究会／第5回マルチモードオートファジー班会議
• [Presentation] パーキンソン病病因遺伝子産物LRRK2が制御するリソソーム分泌機構の解明 (2023)
  • Author(s): 櫻井まりあ、桑原知樹、今村理世、小島宏建、岩坪威
  • Organizer: 第14回スクリーニング学研究会
• [Presentation] マウス脳内におけるαシヌクレイン病理拡大機構に関する候補因子に着目した解析 (2023)
  • Author(s): 末長祥一、阿部哲郎、櫻井まりあ、桑原知樹、岩坪威
  • Organizer: 第42回日本認知症学会学術集会
• [Presentation] Analysis of the novel extracellular release pathway of lysosomal contents mediated by Parkinson’s disease kinase LRRK2 (2023)
  • Author(s): 櫻井まりあ、桑原知樹、江口智也、岩坪威
  • Organizer: 第96回日本生化学会大会
• [Presentation] ミクログリアが関わる不溶性αシヌクレインの伝播機構 (2023)
  • Author(s): 桑原知樹、阿部哲郎、末長祥一、櫻井まりあ、岩坪威
  • Organizer: 第64回日本神経病理学会総会学術研究会／第66回日本神経化学会大会 合同大会
• [Presentation] ATG結合系の非オートファジー機能によるLRRK2の制御 (2022)
  • Author(s): 桑原知樹
  • Organizer: 第4回マルチモードオートファジー班会議
• [Presentation] The LC3 conjugation system regulates Parkinson’s disease kinase LRRK2 and maintains lysosomal homeostasis (2022)
  • Author(s): Tomoki Kuwahara, Maria Sakurai, Tomoya Eguchi, Gen Yoshii, Takeshi Iwatsubo
  • Organizer: International Symposium on Autophagy (ISA)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The LRRK2-Rab cascade in lysosomal homeostasis: a link to Parkinson’s disease and alpha-synuclein pathology (2022)
  • Author(s): Tomoki Kuwahara, Takeshi Iwatsubo
  • Organizer: ISN-APSN meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] LRRK2 and alpha-synuclein fibrils reciprocally regulate to enhance insoluble alpha-synuclein release under lysosomal overload stress (2022)
  • Author(s): Tetsuro Abe, Tomoki Kuwahara, Shoichi Suenaga, Maria Sakurai, Takeshi Iwatsubo
  • Organizer: ISN-APSN meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Identification of a novel lysosomal release pathway regulated by Parkinson’s disease kinase LRRK2 (2022)
  • Author(s): Maria Sakurai, Tomoki Kuwahara, Tomoya Eguchi, Takeshi Iwatsubo
  • Organizer: ISN-APSN meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LRRK2とリソソームが関わる新規αシヌクレイン分泌機構の解明 (2022)
  • Author(s): 桑原知樹、阿部哲郎、末長祥一、櫻井まりあ、岩坪威
  • Organizer: 第16回パーキンソン病・運動障害疾患コングレス
• [Presentation] Mechanism of alpha-synuclein release from microglia via the LRRK2-Rab10 pathway (2022)
  • Author(s): Tomoki Kuwahara, Tetsuro Abe, Shoichi Suenaga, Maria Sakurai, Takeshi Iwatsubo
  • Organizer: International Research Conference on Neurodegenerative Diseases (IRCND) 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ミクログリアにおけるLRRK2-Rab10経路を介したαシヌクレイン分泌機構の解明 (2022)
  • Author(s): 桑原知樹、阿部哲郎、末長祥一、櫻井まりあ、吉井元、小森禎之、岩坪威
  • Organizer: 第45回日本神経科学大会／第65回日本神経化学会大会／第32回日本神経回路学会大会（NEURO 2022）
• [Presentation] The regulatory mechanism of Parkinson's disease kinase LRRK2 by phosphoinositide metabolism (2022)
  • Author(s): 吉井元、桑原知樹、櫻井まりあ、小森禎之、岩坪威
  • Organizer: 第21回 東京大学生命科学シンポジウム
• [Remarks] 東京大学大学院医学系研究科 神経病理学分野 ホームページ
  • URL: http://www.neuropathology.m.u-tokyo.ac.jp/