2020 Fiscal Year Annual Research Report
Full elucidation of sorting mechanisms in and around the Golgi apparatus by super-resolution live imaging
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18H05275
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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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)
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| 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)
戸島 拓郎 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, 上級研究員 (00373332)
植村 知博 お茶の水女子大学, 理系女性教育開発共同機構, 准教授 (90415092)
須田 恭之 筑波大学, 医学医療系, 助教 (10553844)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 膜交通 / ゴルジ体 / 選別輸送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酵母細胞を用いた研究：①小胞体からゴルジ体への積荷の受け渡し。小胞体出口ERESにおける積荷選別の過程をライブイメージングで解析した（Sci. Adv. 誌発表）。また、ゴルジ体で積荷を受け取る初期区画GECCOで機能する分子の時空間的分離を解析した。②ゴルジ槽間の輸送に働くCOPIの変異により、一部のゴルジ体タンパク質が液胞に運ばれて分解されることを見出した。③ゴルジ体とTGNでのタンパク質選別の時空間的制御。ゴルジ体とTGNの境界に位置し、選別の鍵を握る分子をいくつか同定し、その挙動をライブイメージングで解析した。
植物細胞を用いた研究：①ゴルジ体初期区画GECCOによる小胞体からの積荷の受け取り。ゴルジ体の最もcis側の区画（GECCO）の研究をさらに進めた。②TGNでの複数経路の仕分けの時空間的制御。さまざまな被覆タンパク質およびアダブター複合体がTGNで集積・離散するダイナミクスを時空間的に解析した。AP-1とAP-4がそれぞれ分泌経路選別ゾーンと液胞経路選別ゾーンに集積することを示し、前者ではたらくクラスリン被覆小胞の挙動について詳細な4D解析を行った（Nat. Commun. 誌発表）。
動物細胞を用いた研究：①HeLa細胞を用い、TGNにおける積荷選別についてRUSHシステムと多色SCLIMによる4Dライブイメージングを開始した。②HeLa細胞およびショウジョウバエのS2細胞において、ゴルジ体層板とTGN/リサイクリングエンドソームが接着と解離を繰り返すことを見出し、またゴルジ体層板の集合にはArf GTPaseの活性化が関与していることを示した（J. Cell Sci. 誌発表、広島大学佐藤明子博士との共同研究）。③神経軸索におけるゴルジ体の役割。神経軸索成長円錐において、ゴルジ体の動態を観察した。積荷の挙動を観察できる新しいシステムの構築を進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
酵母を用いた実験系で、タンパク質選別輸送の詳細な4Dライブイメージング解析を進め、ERESからゴルジ体cis槽へ、ゴルジ体内、ゴルジ体trans槽からTGNへ、そしてTGNから最終目的地へ、というプロセスで鍵を握る役者はほぼ把握できた。
植物と動物のゴルジ体に関する研究も順調に進んでいる。TGNについて、ゴルジ体以降の膜輸送過程の重要なハブとして機能している独立のオルガネラと考えられる証拠として、ゴルジ層板から離れて存在するTGNが、これまでリサイクリングエンドソームと認識されていた区画とほぼ同一のものであることを示し、動物と植物とでの驚くべき類似性を明らかにした。酵母での研究結果と統合して、膜交通の基礎概念を再び種を超えたパラダイムとして打ち立てる時が近づいている。
次世代SCLIM機、SCLIM2KとSCLIM2Mも順調に稼働し、高い時空間能を生かした成果を生みつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
生きた細胞内の小胞輸送をありのままに目で見る技術が実現できている。予定した研究計画通り、異なる生物種のゴルジ体とその周辺オルガネラについて、徹底的な観察を行い、従来の生化学や遺伝学の実験結果に基づいて想像されていたモデルを一つ一つ検証していく。とくに、小胞体-ERES-cis Golgi-trans Golgi-TGNという流れの節目の選別過程で，重要な役割を果たす分子を相当数同定できた。今後、これらの役者がどのようにして異なる積荷を認識し、時空間的に分離させていくのかについて、さらなる研究を進めて行く予定である。
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