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2019 Fiscal Year Annual Research Report

Analysis of GPI-anchored protein sorting zone at the ER exit site

Planned Research

Project AreaToward an integrative understanding of functional zones in organelles
Project/Area Number 17H06420
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

中野 明彦  国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 副センター長 (90142140)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 黒川 量雄  国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 専任研究員 (40333504)
Project Period (FY) 2017-06-30 – 2022-03-31
Keywords超解像ライブイメージング / GPIアンカー選別ゾーン
Outline of Annual Research Achievements

小胞体とゴルジ体の積荷蛋白質の選別輸送ゾーン、とくに出芽酵母をモデルとしたGPIアンカー型蛋白質の輸送ゾーンの解明を目指している。小胞体からゴルジ体への積荷蛋白質輸送はCOPII小胞が担う。COPII小胞は小胞体上のER exit site (ERES)と呼ばれる領域に集積する。新規合成された積荷蛋白質動態の解析のために、COPII小胞形成に温度感受性の損傷をもつ酵母変異株で積荷蛋白質をGalプロモーター制御下に発現させ、ガラクトース添加により積荷蛋白質を合成し、同時に非許容温度でゴルジ体への輸送を阻害した後、許容温度に戻して集積した積荷蛋白質のみが小胞体からゴルジ体への輸送されるパルス・チェイス・ライブイメージングを開発した。
これまでに、GPIアンカー型蛋白質(Cwp2, Gas1)は、一部のERES近傍に集積し、通常の膜貫通部位をもつ非GPIアンカー蛋白質(Axl2, Mid2)は小胞体全域に分布すること、両者の局在は排他的で、異なるERESに選別的に取り込まれることを明らかにし、小胞体における積荷蛋白質の選別輸送ゾーンの存在を明確にした。
加えてGPIアンカーのGPIリピッドが極長鎖セラミド(C26)化されるGas1に着目して解析を進めた。出芽酵母のセラミド合成酵素を欠損させ、代わりに綿のセラミド合成酵素を発現する出芽酵母株(GhLag1)では、GPIリピッドが短いC18セラミド化Gas1が合成される。パルス・チェイス・ライブイメージングによりC18セラミドGas1を解析すると、C18セラミドGas1はMid2と同様に小胞体全域に広く分布し、Mid2と同じERESに取り込まれたことから、GPIリピッドの脂肪酸長がGPIアンカー型蛋白質の選別ゾーンへの集積とERESへの選別に決定的な役割を果たすことを明らかにした(改訂稿投稿中, Science Advances誌)。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

これまでに、出芽酵母の小胞体からゴルジ体への蛋白質輸送のパルス・チェイス・ライブイメージングシステムを利用して、SCLIMによる積荷蛋白質の高時空間分解能3Dライブイメージングを行ってきた。小胞体で新規に合成されたGPIアンカー型積荷蛋白質(Cwp2, Gas1)と非GPIアンカー型積荷蛋白質(Axl2, Mid2)は、異なる小胞体内ゾーンへと選別され、それぞれ異なるERESへと取り込まれることを明らかにし、小胞体における積荷蛋白質の選別輸送ゾーンの存在を明確にすることが出来た。
GPIアンカー型蛋白質のGPIアンカーは小胞体内で順次修飾を受ける。出芽酵母のGPIアンカー型蛋白質のGas1は、GPIリピッドが極長鎖セラミド(C26)化される。そこで、本年度は出芽酵母のセラミド合成酵素を欠損させ、代わりに綿のセラミド合成酵素を発現する出芽酵母株(GhLag1)を用いて、小胞体におけるGas1の選別輸送ゾーンのGPIアンカーのセラミドの脂肪酸長よる制御に着目して解析を行った。GhLag1株では、Gas1がC18セラミド化された。C18セラミドGas1は、通常のGas1と同様に、GPIグリカンの修飾を受けた後、p24ファミリー蛋白質複合体と結合して細胞膜まで輸送された。ところが、C18セラミドGas1はMid2と同様に小胞体全域に広く分布し、Mid2と同じERESに取り込まれたことから、GPIリピッドの脂肪酸長がGPIアンカー型蛋白質の選別ゾーンへの集積とERESへの選別に決定的な役割を果たすことを明らかにすること出来た。この結果は、in vivoにおける脂肪酸による蛋白質選別制御を明らかにしたものであり、以上のことから、本年度の研究は順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究で、小胞体でのGPIアンカー型蛋白質Gas1のERES近傍への局在化と選別的なERESへの取り込みがGPIリピッドのセラミドの脂肪酸長により制御されていることが明らかとなり、小胞体でのGPIアンカー型積荷蛋白質の選別におけるGPIアンカー修飾の重要性が示された。また、これまでに計画した種々のGPIアンカー修飾酵素変異株を用いた解析でも、これらの変異株ではGPIアンカー型蛋白質の選別ゾーンへの集積が阻害されており、GPIアンカー修飾がGPIアンカー型蛋白質の選別輸送において重要であるデータが蓄積されてきている。
今後は、GPIアンカー型蛋白質Cwp2, Gas1のGPIグリカンの修飾に着目し、GPIグリカンの修飾酵素変異体を用いて小胞体内でのGPIアンカー蛋白質選別ゾーン形成とERESへの選別取り込みの分子機構を探る。加えて、GPIアンカー型蛋白質と非GPIアンカー型蛋白質が異なるERESに集積した後、ゴルジ体のcis槽が選択的に接近、接触して積荷を受け取るのかなど、SCLIMを用いたライブイメージングによって詳細に比較、解析することで、空間的な選別機構、時間的な選別機構に迫り、小胞体ERESにおける選別ゾーン形成の意義を明らかにする。引き続き本研究は、スペインセビリア大学のManuel Muniz教授の協力を得て進めていく。

  • Research Products

    (38 results)

All 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (10 results) (of which Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 6 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 13 results,  Invited: 13 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Sevilla(スペイン)

    • Country Name
      SPAIN
    • Counterpart Institution
      University of Sevilla
  • [Journal Article] Recycling endosomes attach to the trans-side of Golgi stacks in Drosophila and mammalian cells2020

    • Author(s)
      Fujii Syara、Kurokawa Kazuo、Inaba Ryota、Hiramatsu Naoki、Tago Tatsuya、Nakamura Yuri、Nakano Akihiko、Satoh Takunori、Satoh Akiko K.
    • Journal Title

      Journal of Cell Science

      Volume: 133 Pages: jcs236935

    • DOI

      10.1242/jcs.236935

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Three YXXL Sequences of a Bovine Leukemia Virus Transmembrane Protein are Independently Required for Fusion Activity by Controlling Expression on the Cell Membrane2019

    • Author(s)
      Matsuura Ryosuke、Inabe Kazunori、Otsuki Hiroyuki、Kurokawa Kazuo、Dohmae Naoshi、Aida Yoko
    • Journal Title

      Viruses

      Volume: 11 Pages: 1140

    • DOI

      10.3390/v11121140

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] HIGH STEROL ESTER 1 is a key factor in plant sterol homeostasis2019

    • Author(s)
      Shimada Takashi L.、Shimada Tomoo、Okazaki Yozo、Higashi Yasuhiro、Saito Kazuki、Kuwata Keiko、Oyama Kaori、Kato Misako、Ueda Haruko、Nakano Akihiko、Ueda Takashi、Takano Yoshitaka、Hara-Nishimura Ikuko
    • Journal Title

      Nature Plants

      Volume: 5 Pages: 1154~1166

    • DOI

      10.1038/s41477-019-0537-2

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Role of Atg8 in the regulation of vacuolar membrane invagination2019

    • Author(s)
      Ishii Ayane、Kurokawa Kazuo、Hotta Miyuu、Yoshizaki Suzuka、Kurita Maki、Koyama Aya、Nakano Akihiko、Kimura Yoko
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 9 Pages: 14828

    • DOI

      10.1038/s41598-019-51254-1

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Spatiotemporal dissection of the trans-Golgi network in budding yeast2019

    • Author(s)
      Tojima Takuro、Suda Yasuyuki、Ishii Midori、Kurokawa Kazuo、Nakano Akihiko
    • Journal Title

      Journal of Cell Science

      Volume: 132 Pages: jcs231159

    • DOI

      10.1242/jcs.231159

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] COPII proteins exhibit distinct subdomains within each ER exit site for executing their functions2019

    • Author(s)
      Maeda Miharu、Kurokawa Kazuo、Katada Toshiaki、Nakano Akihiko、Saito Kota
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 9 Pages: 7346

    • DOI

      10.1038/s41598-019-43813-3

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Enrichment of Phosphatidylinositol 4,5-Bisphosphate in the Extra-Invasive Hyphal Membrane Promotes Colletotrichum Infection of Arabidopsis thaliana2019

    • Author(s)
      Shimada Takashi L、Betsuyaku Shigeyuki、Inada Noriko、Ebine Kazuo、Fujimoto Masaru、Uemura Tomohiro、Takano Yoshitaka、Fukuda Hiroo、Nakano Akihiko、Ueda Takashi
    • Journal Title

      Plant and Cell Physiology

      Volume: 60 Pages: 1514~1524

    • DOI

      10.1093/pcp/pcz058

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Transient activity of the florigen complex during the floral transition in Arabidopsis thaliana2019

    • Author(s)
      Abe Mitsutomo、Kosaka Shingo、Shibuta Mio、Nagata Kenji、Uemura Tomohiro、Nakano Akihiko、Kaya Hidetaka
    • Journal Title

      Development

      Volume: 146 Pages: dev171504

    • DOI

      10.1242/dev.171504

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Visualization of secretory cargo transport within the Golgi apparatus2019

    • Author(s)
      Kurokawa Kazuo、Osakada Hiroko、Kojidani Tomoko、Waga Miho、Suda Yasuyuki、Asakawa Haruhiko、Haraguchi Tokuko、Nakano Akihiko
    • Journal Title

      Journal of Cell Biology

      Volume: 218 Pages: 1602~1618

    • DOI

      10.1083/jcb.201807194

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Editorial overview: Membrane trafficking2019

    • Author(s)
      Cullen Peter J、Nakano Akihiko
    • Journal Title

      Current Opinion in Cell Biology

      Volume: 59 Pages: iii~v

    • DOI

      10.1016/j.ceb.2019.06.005

    • Open Access
  • [Presentation] 膜局在型ユビキチンリガーゼATL31とSNAREタンパク質SYP61 を介したC/N 栄養応答制御機構の解析2020

    • Author(s)
      長谷川陽子,藤巻あかり,羅永茗,椋田航生,新井麻由,植村知博,Boutt_ Yohann,中野明彦,佐藤長緒,山口淳二
    • Organizer
      第61回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] トランスゴルジ網の液胞輸送ゾーンと多胞体/液胞前区画の時空間動態の研究2020

    • Author(s)
      清水優太朗,高木純平,伊藤容子,小松大和,海老根一生,上田貴志,黒川量雄,植村知博,中野明彦
    • Organizer
      第61回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] The challenge to visualize vesicular trafficking in living cells by high-speed and super-resolution live imaging microscopy _The dream has come true2019

    • Author(s)
      Akihiko Nakano
    • Organizer
      Full-global kickoff symposium, Serendipity Lab.
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Dynamics of the Golgi and its neighbors visualized by high-speed and super-resolution live imaging SCLIM2019

    • Author(s)
      Akihiko Nakano
    • Organizer
      Symposium “Structure and Function of the Golgi,” 92nd Annual Meeting of the Japanese Biochemical Society
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] State-of-the-art live cell imaging at high-speed and super-resolution -- Dream to see real vesicular trafficking has come true2019

    • Author(s)
      Akihiko Nakano
    • Organizer
      University of Oslo Seminar
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] State-of-the-art live cell imaging at high-speed and super-resolution -- Dream to see real vesicular trafficking has come true2019

    • Author(s)
      Akihiko Nakano
    • Organizer
      University of Bergen Seminar
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] The identity of the trans-Golgi network revealed by super-resolution live imaging2019

    • Author(s)
      Takuro Tojima, Yasuyuki Suda, Midori Ishii, Kazuo Kurokawa, and Akihiko Nakano
    • Organizer
      Gordon Research Conference on Molecular Membrane Biology
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The role of Atg8 in the regulation of vacuolar membrane homeostasis2019

    • Author(s)
      Ayane Ishii, Kazuo Kurokawa, Miyuu Hotta, Suzuka Yoshizaki, Maki Kurita, Aya Koyama, Akihiko Nakano, and Yoko Kimura
    • Organizer
      Gordon Research Conference on Molecular Membrane Biology
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Visualization of transmembrane cargo entry into the ERES in S. cerevisiae2019

    • Author(s)
      Kazuo Kurokawa and Akihiko Nakano
    • Organizer
      Gordon Research Conference on Molecular Membrane Biology
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High-speed and super-resolution live imaging to understand the true world in a living cell2019

    • Author(s)
      Akihiko Nakano
    • Organizer
      University of Michigan Seminar
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Extremely dynamic behaviors of vesicles and zones in an around the Golgi as visualized by high-speed super-resolution live imaging SCLIM2019

    • Author(s)
      Akihiko Nakano
    • Organizer
      IAS Symposium “Biogenesis of Intracellular and Extracellular Vesicles”
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] State-of-the-art live cell imaging at high-speed and super-resolution -- Dream to see real vesicular trafficking has come true2019

    • Author(s)
      Akihiko Nakano
    • Organizer
      Joint Symposium “Extreme imaging to explore the boundaries between cell biology and protein science,” Joint Annual Meeting of 71st JSCB and 19th PSSJ
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Visualization of cargo transport from the ER to the Golgi and within the Golgi2019

    • Author(s)
      Kazuo Kurokawa
    • Organizer
      RIKEN symposium: Cutting edge of membrane traffic
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Dynamics of protein sorting zones in and around the Golgi apparatus as visualized by high-speed super-resolution live imaging SCLIM2019

    • Author(s)
      Akihiko Nakano
    • Organizer
      International Symposium “Organelle zones: opening a new ear of cell biology”
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Dynamics of protein sorting zones within and around the Golgi apparatus as visualized by high-speed super-resolution live imaging SCLIM2019

    • Author(s)
      Akihiko Nakano
    • Organizer
      SFB1190 Minisymposium “Organelle Zones Meet Compartmental Gates and Contact Sites”
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 小胞体におけるGPIアンカー型タンパク質選別の可視化2019

    • Author(s)
      黒川量雄,Sof_a Rodr_guez Gallardo,Manuel Mu_iz,中野明彦
    • Organizer
      第42回日本分子生物学会年会
  • [Presentation] 液胞膜の膜融合装置の解析2019

    • Author(s)
      海老根一生,竹元廣大,齊藤知恵子,植村知博,中野明彦,上田貴志
    • Organizer
      日本植物学会第83回大会
  • [Presentation] 4Dイメージングによる小胞体-ゴルジ体間,ゴルジ体内の蛋白質輸送機構2019

    • Author(s)
      黒川量雄
    • Organizer
      日本遺伝学会第91回大会
    • Invited
  • [Presentation] 小胞体における積荷タンパク質選別輸送ゾーンの解析2019

    • Author(s)
      黒川量雄,Sof_a Rodr_guez Gallardo,Manuel Mu_iz,中野明彦
    • Organizer
      酵母遺伝学フォーラム第52回研究報告会
  • [Presentation] 出芽酵母減数分裂における膜交通関連オルガネラの再構成2019

    • Author(s)
      須田恭之,舘川宏之,中野明彦,入江賢児
    • Organizer
      酵母遺伝学フォーラム第52回研究報告会
  • [Presentation] AP-4複合体を介したTGNからMVBへの輸送機構の解明に向けて2019

    • Author(s)
      清水優太朗,高木純平,伊藤容子,小松大和,海老根一生,上田貴志,黒川量雄,植村知博,中野明彦
    • Organizer
      第8回植物エンドメンブレンミーティング
  • [Presentation] 成熟するゴルジ槽内のゾーン形成と積荷タンパク質輸送の可視化2019

    • Author(s)
      黒川量雄
    • Organizer
      第38回日本糖質学会年会
    • Invited
  • [Presentation] シロイヌナズナのトランスゴルジ網における積荷タンパク質選別ゾーンの時空間的解析2019

    • Author(s)
      清水優太朗,高木純平,伊藤容子,小松大和,海老根一生,上田貴志,黒川量雄,植村知博,中野明彦
    • Organizer
      第19回日本蛋白質科学会年会・第71回日本細胞生物学会大会合同年次大会
  • [Presentation] ゴルジ体内の積荷タンパク質輸送の可視化2019

    • Author(s)
      黒川量雄,中野明彦
    • Organizer
      第19回日本蛋白質科学会年会・第71回日本細胞生物学会大会合同年次大会
  • [Presentation] トランスゴルジ網形成の時空間ダイナミクス2019

    • Author(s)
      戸島拓郎,須田恭之,石井みどり,黒川量雄,中野明彦
    • Organizer
      第19回日本蛋白質科学会年会・第71回日本細胞生物学会大会合同年次大会
  • [Presentation] 出芽酵母減数分裂における膜交通関連オルガネラの再構成2019

    • Author(s)
      須田恭之,舘川宏之,中野明彦,入江賢児
    • Organizer
      第19回日本蛋白質科学会年会・第71回日本細胞生物学会大会合同年次大会
  • [Presentation] 究極のライブセルイメージングでパラダイムを覆す2019

    • Author(s)
      中野明彦
    • Organizer
      ERATO学術セミナー
    • Invited

URL: 

Published: 2021-01-27  

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