High-speed AFM observation of autophagosome formation sites formed by liquid-liquid phase separation

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K16344
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 47020:Pharmaceutical analytical chemistry and physicochemistry-related
• Research Institution: Hokkaido University (2022); Microbial Chemistry Research Foundation (2019-2021)
• Principal Investigator: Noshiro Daisuke 北海道大学, 遺伝子病制御研究所, 特任助教 (90751107)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: オートファジー / 高速原子間力顕微鏡 / 液―液相分離 / 液滴 / 天然変性タンパク質

Outline of Final Research Achievements

Autophagy is one of the mechanisms by which proteins, organelles, and foreign substances are degraded in cells. When autophagy is initiated, an isolation membrane appears, which elongates and surrounds the target for degradation to form autophagosomes. In this study, I used high-speed atomic force microscopy (AFM) to observe the individual proteins involved in autophagosome formation as well as the structure of the droplet resulting from liquid-liquid phase separation of these proteins. I also found that the properties and shape of the specific droplets changed depending on the mutation of amino acid residues and the presence or absence of specific droplet components.

Free Research Field

生物物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、酵母または哺乳類由来のオートファジーに関連する複数のタンパク質について、結晶構造解析や電子顕微鏡では画像化が困難な天然変性領域を含め、高速AFMによりイメージングを行った。また、性質や形状の異なる液滴について、その表面構造の違いを高速AFMによりイメージングした。細胞内の液―液相分離に伴う液滴の形成と機能に関しては、広く生化学、分子生物学、生物物理学的に重要なテーマであると同時に、液の性質が保たれた「液滴」から「凝集状態」や「線維」状態への変性は神経変性疾患とも関連することから、本研究を通じて得られた成果は、医薬上重要な知見を提供するものであると考える。