2020 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of the molecular mechanism for accurately and efficiently retrograde cargo transport from the Golgi to the ER
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20K06650
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
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)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 逆行輸送 / 積荷受容体 / 小胞体 / COPI / ゴルジ体 / 多色4次元イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ゴルジ体から小胞体への逆行輸送は、COPI小胞が担っている。本研究課題では、出芽酵母をモデルとしてゴルジ体から小胞体への逆行輸送を正確かつ効率的に達成する機構の解明を目指している。小胞体からゴルジ体へと積荷タンパク質を輸送する積荷受容体Emp24は、積荷をゴルジ体へと輸送した後、自身は小胞体へと逆行輸送される。また、ゴルジ体に局在する積荷受容体Rer1は、ゴルジ体へ輸送された小胞体局在タンパク質の一部を小胞体へと逆行輸送する。そこで出芽酵母の分子機能変異株の利用とこれら積荷受容体の高時空間分解能4Dイメージングを組み合わせることで逆行輸送の分子機構に迫る。
これまでに、高時空間分解能3次元、4次元イメージングによりEmp24の細胞内局在と動態を解析した。新規に合成された積荷タンパク質は、小胞体のERESに集積するCOPII小胞を介してゴルジ体へ輸送される。出芽酵母のEmp24、ゴルジ体シス槽のマーカータンパク質Sed5、ERESのマーカーSec13をそれぞれ異なる蛍光タンパク質で標識した出芽酵母株を作成し、多色同時3次元イメージング解析を行ったところ、Emp24-GFPは、主にSec13-iRFPで標識されるERESおよびその近傍に集積し、ｍRFP-Sed5で標識されるゴルジ体シス槽には、ほとんど局在しなかった。次に4次元イメージングを行った結果、ゴルジ体シス槽がERESに接触した際にEmp24-GFPが一過的にはゴルジ体シス槽へと移動し、速やかにERESへと戻ることが明らかとなった。更に、COPI機能を欠損する出芽酵母株を用いたところ、COPI機能欠損によりERESから遊離したゴルジ体に留まるEmp24-GFPの量が増加することを示す結果を得た。以上の結果より、ゴルジ体とERES接触により、順行輸送と逆行輸送が速やかに達成するモデルが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
これまでに、出芽酵母のEmp24、ゴルジ体シス槽のマーカータンパク質Sed5、ERESのマーカーSec13をそれぞれ異なる蛍光タンパク質で標識した出芽酵母株を作成し、高時空間分解能4Dイメージングを行ってきた。その結果、我々がこれまでに明らかにしてきたシスゴルジ槽が一過的にERESと接触して、積荷タンパク質をゴルジ体へと輸送する（ハグアンドキスアクション）際に（Kurokawa et al., Nat commun. 2014）、積荷受容体Emp24はシスゴルジ槽への順行輸送と元のERESへと戻る逆行輸送が起きることが明らかとなってきた。更に、制限温度下でCOPI機能が阻害される出芽酵母分子機能変異株を用いることにより、COPI機能が阻害されると、ERESから遊離したシスゴルジ槽にEmp24-GFPが留まったままになることが明らかになりつつある。この結果は、ゴルジ体とERES接触による順行輸送とCOPI依存的な逆行輸送が同時に達成されることを示しており、ゴルジ体から小胞体への逆行輸送を正確かつ効率的に達成する分子機構の一端が明らかになりつつある。また、出芽酵母のRer1、ゴルジ体シス槽のマーカータンパク質Sed5、ERESのマーカーSec13をそれぞれ異なる蛍光タンパク質で標識した出芽酵母株（野生型ならびにCOPI機能変異株）の作成も終了している。以上のことから本年度の研究は当初の計画以上に進展したといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究で、小胞体からゴルジ体へと積荷タンパク質を輸送する積荷受容体Emp24の動態を高時空間分解能4Dイメージングにより解析してきた。その結果、シスゴルジ槽とERESとの接触している間に、積荷受容体Emp24のシスゴルジ槽への順行輸送とERESへの逆行輸送が起きることが示され、この逆行輸送はCOPI依存的にERESとシスゴルジ槽の接触の間に達成されることが明らかになりつつある。
今後は、出芽酵母のRer1、ゴルジ体シス槽のマーカータンパク質Sed5、ERESのマーカーSec13をそれぞれ異なる蛍光タンパク質で標識した出芽酵母株（野生型ならびにCOPI機能変異株）を用いて、高時空間分解能4Dイメージングによりその動態を明らかにしていくとともに、様々な出芽酵母の分子機能変異株の利用を組み合わせて詳細に比較、解析することでゴルジ体から小胞体への逆行輸送を正確かつ効率的に達成する機構の解明を目指していく。
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| Causes of Carryover |
旅費等の使用計画に変更が生じたために次年度使用額が生じた。今年度の消耗品等へ利用する。
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[Journal Article] Golgi maturation-dependent glycoenzyme recycling controls glycosphingolipid biosynthesis and cell growth via GOLPH3.2021
Author(s)
Riccardo Rizzo, Domenico Russo, Kazuo Kurokawa, Alfredo Budillon, Franck Perez, Seetharaman Parashuraman, Yusuf A Hannun, Akihiko Nakano, Daniela Corda, Giovanni D’Angelo and Alberto Luini et al.,.
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Journal Title
The EMBO Journal
Volume: 40
Pages: e107238
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Cargo sorting zones in the trans-Golgi network visualized by super-resolution confocal live imaging microscopy in plants.2021
Author(s)
Yutaro Shimizu, Junpei Takagi, Emi Ito, Yoko Ito, Kazuo Ebine, Yamato Komatsu, Yumi Goto, Mayuko Sato, Kiminori Toyooka, Takashi Ueda, Kazuo Kurokawa, Tomohiro Uemura, and Akihiko Nakano.
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 12
Pages: 1901
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Ceramide chain length-dependent protein sorting into selective endoplasmic reticulum exit sites.2020
Author(s)
Sofia Rodriguez-Gallardo, Kazuo Kurokawa, Susana Sabido-Bozo, Alejandro Cortes-Gomez, Atsuko Ikeda, Valeria Zoni, Auxiliadora Aguilera-Romero, Ana Maria Perez-Linero, Sergio Lopez, Miho Waga, Misako Araki, Miyako Nakano, Howard Riezman, Kouichi Funato, Stefano Vanni, Akihiko Nakano, Manuel Muñiz.
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Journal Title
Science Advances
Volume: 6
Pages: eaba8237
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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