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2019 Fiscal Year Annual Research Report

Theoretical study of autophagy dynamics

Research Project

Project/Area Number 18K14693
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

境 祐二  東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 助教 (70631779)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2020-03-31
Keywordsオートファジー / オルガネラ / 生物物理学 / ソフトマター物理学 / 数理生物学 / 膜リモデリング / 曲率因子 / イメージング
Outline of Annual Research Achievements

オートファジーは、オートファゴソーム膜が細胞質中の不要なオルガネラやタンパク質を取り囲み、分解酵素であるリソソームと融合することで内部の不要物を分解する細胞内分解経路である。オートファゴソーム膜形成は、隔離膜という扁平なベシクルが膜成長と共にその膜形態を変化させる。隔離膜はお椀のように全体を曲げながら成長し、最終的に閉口することで細胞質を取り囲み隔離する。このオートファゴソーム形成は、オートファジーにとって必須なプロセスであるにも関わらず、その形成機構は理解されていない。
そこで申請者は、オートファゴソーム形成の膜変形機構を理解するために、数理モデルを用いて解析した。まず、膜の曲率を安定化させる因子(曲率因子)を考え、この曲率因子の分布エントロピーエネルギーと隔離膜の変形に対する弾性エネルギーの変化を両方扱える数理モデルを構築した。このモデルを用いて膜成長に伴う隔離膜の形態変化と曲率因子の分布変化のダイナミクスを解析した。その結果、曲率因子が高曲率なリム部分に局在し、ディスク形態の隔離膜の成長を安定化することで、より大きなオートファゴソームが形成されることを示した。 この結果は、オートファジー関連曲率因子のノックアウトで見られるオートファゴソームが小さくなる実験結果と一致する。
ディスク形態だった隔離膜が曲がりだすと、曲率因子は正の曲率を持つ外膜に分布し、この分布の非対称な変化が、中間状態のお椀型を安定化することを示した。この結果は、細胞内ライブイメージングで観察される隔離膜の形態変化と定性的に一致する。細胞内ライブイメージングの隔離膜の形態変化を定量化し、数理モデル解析結果を比較し数理モデルの妥当性を確かめた。

  • Research Products

    (7 results)

All 2019 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Int'l Joint Research] Max Planck Institute(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      Max Planck Institute
  • [Presentation] Theoretical modeling for autophagosome formation2019

    • Author(s)
      Yuji Sakai, Ikuko Koyama-Honda, Masashi Tachikawa, Roland L. Knorr, Noboru Mizushima
    • Organizer
      EMBO Workshop: Membrane shaping and remodeling by proteins
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Theoretical modeling for autophagosome formation2019

    • Author(s)
      Yuji Sakai, Ikuko Koyama-Honda, Masashi Tachikawa, Roland L. Knorr, Noboru Mizushima
    • Organizer
      China-Japan-Korea Symposium on Autophagy
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modeling autophagosome formation2019

    • Author(s)
      Yuji Sakai, Ikuko Koyama-Honda, Masashi Tachikawa, Roland L. Knorr, Noboru Mizushima
    • Organizer
      Joint 12th EBSA / 10th ICBP-IUPAP Biophysics Congress
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modeling morphological change during autophagosome formation2019

    • Author(s)
      Yuji Sakai, Ikuko Koyama-Honda, Masashi Tachikawa, Roland L. Knorr, Noboru Mizushima
    • Organizer
      EMBO Workshop: Autophagy: From molecular principles to human diseases
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Theoretical modeling for autophagosome formation2019

    • Author(s)
      境祐二,本田-小山郁子, 立川正志, Roland Knorr, 水島昇
    • Organizer
      第19回東京大学生命科学シンポジウム
  • [Presentation] オートファゴソーム形成の理論モデル2019

    • Author(s)
      境祐二,本田-小山郁子, 立川正志, Roland Knorr, 水島昇
    • Organizer
      第12回オートファジー研究会

URL: 

Published: 2021-01-27  

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