2020 Fiscal Year Research-status Report
Sensing mechanism and signal output of plasma membrane lipid asymmetry
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19K06561
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
小原 圭介 名古屋大学, 理学研究科, 助教 (30419858)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 細胞膜 / 脂質非対称 / センサー / シグナル / Rim21 / Rim101 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
細胞膜を構成する脂質二重層では、その内層（細胞質側）と外層（細胞外側）で脂質組成や役割が大きく異なっている。その様な「脂質非対称」は真核生物に共通の性質であり、その維持や適切な調節は細胞の生存に必須である。本研究では、真核生物のモデルとして出芽酵母を用いて、細胞が脂質非対称の状態をモニターし、その変化や乱れに応じて適応反応シグナルを発して伝達する仕組みの解明を目指す。特に、脂質非対称センサータンパク質であるRim21が脂質非対称の状態を感知する仕組み、Rim21が脂質非対称シグナルを発して下流因子がそれを伝達する仕組みに焦点を当てている。
今年度は、Rim21が脂質非対称の状態を感知する際に鍵となる、細胞膜との相互作用、について進展があった。細胞膜上の多重膜貫通タンパク質であるRim21は、C末端側に柔軟性の高い細胞質テール領域（Rim21C）を有しており、このRim21Cを触角のように用いて脂質非対称の状態をモニターすると考えられている。そのセンサーモチーフも同定されているが、今年度はその近傍にある保存されたモチーフに変異を導入したところ、細胞膜への結合がより強まることを強く示唆する結果を得た。脂質非対称感知機構の解明に対してヒントとなる情報である。
また、Rim21が発するシグナルはRim101経路と呼ばれるシグナル伝達経路によって伝達される。今年度は、幾つかの細胞外ストレスに細胞を暴露し、Rim101経路の活性化を調べた。すると、カドミウムストレス下はRim101経路が不活性化されること、その不活性化はカドミウムストレスに対する応答で極めて重要であることを発見した。Rim101経路が、他のストレスへの適応に応じて柔軟にON/OFFされる必要があることを示しており、Rim101経路の活性化・不活性化機構に関して新たな視点が得られたと言えよう。
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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
Rim21は柔軟性の高いC末端細胞質領域（Rim21C）を触角のように用いて脂質非対称の状態をモニターすると考えられている。その触角部分が細胞膜に結合する際には、センサーモチーフの塩基性アミノ酸が重要であることが明らかになっている。今年度は、その近傍にも調査対象を広げた。その結果、近傍の保存されたモチーフに変異を導入するとRim21Cと細胞質の結合が強まることを強く示唆する結果を得た。Rim21Cは、脂質非対称の変化を感知すると細胞膜表面から解離し、それがシグナルの出力に繋がると予想されているため、Rim21Cと細胞膜の結合や解離は脂質非対称感知機構の本質となる重要な要素であろう。Rim21Cと細胞膜の相互作用に影響を与える新たなモチーフが見つかったことは、脂質非対称感知機構の解明に近づく一歩であり、順調に研究が進展していると考えられる。
Rim21はRim101経路と呼ばれるシグナル伝達経路を活性化して、脂質非対称変化に対する適応反応を引き起こす。興味深いことにRim101経路は、細胞外のpHが上昇（アルカリ化）した際にも活性化する。そこで、幾つかの細胞外環境変化に細胞をさらしたところ、カドミウムストレス下でRim101経路が不活性化すること、またその不活性化はカドミウムストレスに適応する上で極めて重要であることを発見した。つまり、Rim101経路が他のストレスとの相性により、適切に活性化・不活性化される必要があることを示している。Rim101経路は、病原性真菌類が宿主内で増殖して病原性を発揮するのに必須であるため、その活性化・不活性化機構の解明は真菌感染症の予防、治療に大きく寄与する。その意味でも、重要な知見が得られたといえ、順調に研究が進行していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、引き続き脂質非対称の感知機構とシグナルの出力機構の解明を目指す。今年度は、Rim21Cと細胞膜の相互作用に関わるモチーフを新たに明らかにしたが、そのモチーフについてより詳細な解析を行う予定である。具体的には、当該変異を導入したRim21C部分を切り出してGFPに融合したタンパク質を細胞に発現し、細胞膜への結合と解離の挙動をモニターする（野生型配列のRim21Cでは、その様な解析が可能であることは既に示している）。このことにより、Rim21Cと細胞膜の相互作用の強度が脂質非対称の感知にどの様な影響を与えるかを推測できる。また、当該変異Rim21Cの組換えタンパク質を作製し、in vitroで脂質との相互作用を解析する。これらを通して、Rim21がRim21C部分を用いて脂質非対称の状態を感知する仕組みを明らかにする。
シグナル伝達の出力やON/OFFの仕組みについても研究を進める。前年度にRim101経路の活性化が、ユビキチン化と脱ユビキチン化の拮抗作用によって調節されていることを見出した。また今年度は、カドミウムストレスなど他のストレスとの相性によってもその活性化・不活性化が調節されることを見出した。これらの発見について、その分子機構をより深く研究していく予定である。Rim101経路の活性化や不活性化機構の解明は、真菌感染症の創薬に大きく貢献できる可能性が高く、将来的な応用も視野に入れ、研究を展開していく。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍でオンライン教育の準備など予期せぬ業務が重なり、研究活動に割ける時間が減少した。それに伴い、消耗品などの使用量も減少した。また、研究成果を発表する予定であった学会が全てオンライン開催に形式変更されたため旅費の支出が必要なくなった。これらの理由から次年度使用額が生じた。
次年度は、オンライン教育の準備などの研究が負担が今年度よりも軽減すると予想され（今年度に行った準備により基礎が確立したため）、研究活動に割く時間が増加すると考えられる。それに伴い消耗品費などが増加すると予想されるので、物品費に充てる。また、対面での学会等が次年度に復活した場合は、それらに参加するための旅費が必要であるため、旅費に充てる。
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Research Products
(6 results)
