マクロオートファジーにおける膜動態と基質選択のメカニズム

• Project Area: Multimode autophagy: Diverse pathways and selectivity
• Project/Area Number: 19H05708
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 中戸川 仁 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (90414010)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大隅 良典 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 栄誉教授 (30114416)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥184,730,000 (Direct Cost: ¥142,100,000、Indirect Cost: ¥42,630,000); Fiscal Year 2023: ¥38,220,000 (Direct Cost: ¥29,400,000、Indirect Cost: ¥8,820,000); Fiscal Year 2022: ¥38,220,000 (Direct Cost: ¥29,400,000、Indirect Cost: ¥8,820,000); Fiscal Year 2021: ¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000); Fiscal Year 2020: ¥37,700,000 (Direct Cost: ¥29,000,000、Indirect Cost: ¥8,700,000); Fiscal Year 2019: ¥32,630,000 (Direct Cost: ¥25,100,000、Indirect Cost: ¥7,530,000)
• Keywords: オートファジー / マクロオートファジー / ミクロオートファジー / タンパク質分解 / オルガネラ分解

Outline of Research at the Start

細胞が自身の成分をリソソーム／液胞に運び、分解する現象をオートファジーと呼ぶ。近年、オートファジーには、そのプロセスや分解対象に様々な多様性があることがわかってきた。その1つであるマクロオートファジーについては、大隅博士がノーベル賞を受賞したものの、まだ多くの謎が残されている。それらの解明は生命現象を理解する基礎研究としての重要性に加え、マクロオートファジーが関与する様々な生理機能や疾患の研究における重要な情報基盤となる。本研究では、マクロオートファジーのプロセスと分解対象選択のメカニズムを分子レベルで理解することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

マクロオートファジーは、様々な細胞成分を“オートファゴソーム”と呼ばれる二重膜胞内に隔離し、リソソーム／液胞に輸送し、分解する。本計画研究は、マクロオートファジーにおけるオートファゴソーム形成機構、新たな分解基質選択機構、マクロオートファジーとミクロオートファジーの連携の解明を目的としている。当該年度は研究実績は以下の通りである。・Atg9小胞の形成機構及び隔離膜前駆体への変換機構の解明：昨年度単離したAtg23の変異体の解析を進めた。PI3K複合体IとAtg9小胞およびAtg1複合体の相互作用の解析結果から、PI3K複合体Iの隔離膜前駆体への局在化機構を提唱した（論文執筆中）。・隔離膜の伸張機構の解明：Atg2のリン酸化がAtg2-Atg18複合体の小胞体への結合を制御することを示す結果を得た。セミインタクト細胞を用いた隔離膜伸張の再構成系については隔離膜と考えられる構造体が観察された。・新たな基質選択機構の解明：Atg24複合体が伸張中の隔離膜の形態制御や開口径の拡大に重要であることを発見し、一昨年度、論文を執筆し投稿した。昨年度は査読者からのコメントに対応すべく追加実験をおこなった（改訂継続中）。・マクロオートファジーとミクロオートファジーの連携：これまでの研究により、ミクロヌクレオファジーの異常昂進を抑制することがマクロヌクレオファジーの重要な（細胞の生死を決める）役割の一つであることを明らかにすることができた。当該年度は、この結論を補強するためのデータを収集した（論文準備中）。・オートファジーによるタンパク質分解の総合的理解：昨年度までに同定したオートファゴソームに効率的に取り込まれるタンパク質や排除される傾向にあるタンパク質の解析を進め、そのメカニズムおよび生理的意義が明らかとなってきた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

研究実績の概要の欄に記述したように、多くの項目で研究は順調に進展しており、複数の成果について論文の改訂中あるいは執筆中の段階に至っている。一方で、Atg9小胞形成の試験管内再構成など、当初の計画よりも進捗が遅れている項目もある。このような状況を踏まえて、全体として「おおむね順調に進展している」と評価した。

Strategy for Future Research Activity

「Atg9小胞の形成機構」については、Atg9小胞形成の試験管内再構成系の確立に注力していく。隔離膜伸張の再構成解析についても「PI3K複合体Iの隔離膜前駆体への局在化機構」、「マクロオートファジーとミクロオートファジーの連携」、「オートファジーによるタンパク質分解の総合的理解」については、骨子となるデータが揃った。2022年度中の論文投稿・発表を目指す。「新たな基質選択機構の解明」についても論文の改訂を進め、2022年度中の発表を目指す。「隔離膜の伸張機構の解明」については、Atg2-Atg18複合体と相互作用する小胞体因子の同定と、そのAtg2のリン酸化を介した制御機構の解析を進める。セミインタクト細胞を用いた隔離膜伸張の再構成系については観察された構造体が実際に隔離膜であることを確認し、隔離膜伸張機構の解析に利用していく。

Research Products

• [Journal Article] Atg39 links and deforms the outer and inner nuclear membranes in selective autophagy of the nucleus (2022)
  • Author(s): Mochida Keisuke、Otani Toshifumi、Katsumata Yuto、Kirisako Hiromi、Kakuta Chika、Kotani Tetsuya、Nakatogawa Hitoshi
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 221 (2) Issue: 2
  • DOI: 10.1083/jcb.202103178
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Degradation of nuclear components via different autophagy pathways (2022)
  • Author(s): Li Ziyang、Nakatogawa Hitoshi
  • Journal Title: Trends in Cell Biology Volume: － Issue: 7 Pages: 574-584
  • DOI: 10.1016/j.tcb.2021.12.008
• [Journal Article] Membrane perturbation by lipidated Atg8 underlies autophagosome biogenesis (2021)
  • Author(s): Maruyama Tatsuro、Alam Jahangir Md.、Fukuda Tomoyuki、Kageyama Shun、Kirisako Hiromi、Ishii Yuki、Shimada Ichio、Ohsumi Yoshinori、Komatsu Masaaki、Kanki Tomotake、Nakatogawa Hitoshi、Noda Nobuo N.
  • Journal Title: Nature Structural & Molecular Biology Volume: 28 Issue: 7 Pages: 583-593
  • DOI: 10.1038/s41594-021-00614-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Selectivity of mRNA degradation by autophagy in yeast (2021)
  • Author(s): Shiho Makino, Tomoko Kawamata, Shintaro Iwasaki, Yoshinori Ohsumi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 2316-2316
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22574-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Autophagic degradation of the endoplasmic reticulum (2020)
  • Author(s): Nakatogawa H*
  • Journal Title: Proceedings of the Japan Academy, Series B Volume: 96 Issue: 1 Pages: 1-9
  • DOI: 10.2183/pjab.96.001
  • NAID: 130007783771
  • ISSN: 0386-2208, 1349-2896
  • Year and Date: 2020-01-10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atg9 is a lipid scramblase that mediates autophagosomal membrane expansion (2020)
  • Author(s): Matoba Kazuaki、Kotani Tetsuya、Tsutsumi Akihisa、Tsuji Takuma、Mori Takaharu、Noshiro Daisuke、Sugita Yuji、Nomura Norimichi、Iwata So、Ohsumi Yoshinori、Fujimoto Toyoshi、Nakatogawa Hitoshi、Kikkawa Masahide、Noda Nobuo N.
  • Journal Title: Nature Structural & Molecular Biology Volume: 27 Issue: 12 Pages: 1185-1193
  • DOI: 10.1038/s41594-020-00518-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pex3 confines pexophagy receptor activity of Atg36 to peroxisomes by regulating Hrr25-mediated phosphorylation and proteasomal degradation. (2020)
  • Author(s): Meguro S, Zhuang X, Kirisako H, Nakatogawa H
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 295 Issue: 48 Pages: 16292-16298
  • DOI: 10.1074/jbc.ra120.013565
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Super-assembly of ER-phagy receptor Atg40 induces local ER remodeling at contacts with forming autophagosomal membranes (2020)
  • Author(s): Mochida Keisuke、Yamasaki Akinori、Matoba Kazuaki、Kirisako Hiromi、Noda Nobuo N.、Nakatogawa Hitoshi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11, 3306 Issue: 1 Pages: 3306-3306
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17163-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] TORC1 inactivation stimulates autophagy of nucleoporin and nuclear pore complexes (2020)
  • Author(s): Tomioka Yui、Kotani Tetsuya、Kirisako Hiromi、Oikawa Yu、Kimura Yayoi、Hirano Hisashi、Ohsumi Yoshinori、Nakatogawa Hitoshi
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 219 Issue: 7 Pages: 301-305
  • DOI: 10.1083/jcb.201910063
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Atg8-mediated super-assembly of Atg40 induces local ER remodeling in reticulophagy. (2020)
  • Author(s): Mochida K, Nakatogawa H
  • Journal Title: Autophagy Volume: 16 Issue: 12 Pages: 2299-2300
  • DOI: 10.1080/15548627.2020.1831801
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mechanisms governing autophagosome biogenesis (2020)
  • Author(s): Nakatogawa Hitoshi
  • Journal Title: Nature Reviews Molecular Cell Biology Volume: 21 Issue: 8 Pages: 439-458
  • DOI: 10.1038/s41580-020-0241-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mitotic phosphorylation of the ULK complex regulates cell cycle progression (2020)
  • Author(s): Yamasaki Akinori、Jin Yui、Ohsumi Yoshinori
  • Journal Title: PLOS Biology Volume: 18 Issue: 6 Pages: e3000718-e3000718
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3000718
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Autophagy facilitates adaptation of budding yeast to respiratory growth by recycling serine for one-carbon metabolism (2020)
  • Author(s): May Alexander I.、Prescott Mark、Ohsumi Yoshinori
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-020-18805-x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phase separation organizes the site of autophagosome formation (2020)
  • Author(s): Fujioka Yuko、Alam Jahangir Md.、Noshiro Daisuke、Mouri Kazunari、Ando Toshio、Okada Yasushi、May Alexander I.、Knorr Roland L.、Suzuki Kuninori、Ohsumi Yoshinori、Noda Nobuo N.
  • Journal Title: Nature Volume: 578 Issue: 7794 Pages: 301-305
  • DOI: 10.1038/s41586-020-1977-6
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Liquidity Is a Critical Determinant for Selective Autophagy of Protein Condensates (2020)
  • Author(s): Yamasaki Akinori、Alam Jahangir Md.、Noshiro Daisuke、Hirata Eri、Fujioka Yuko、Suzuki Kuninori、Ohsumi Yoshinori、Noda Nobuo N.
  • Journal Title: Molecular Cell Volume: 77 Issue: 6 Pages: 1163-1175
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2019.12.026
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] <i>N</i>-glycosylation of Rim21 at an Unconventional Site Fine-tunes Its Behavior in the Plasma Membrane (2020)
  • Author(s): Obara K, Kotani T, Nakatogawa H, Kihara A, Kamura T
  • Journal Title: Cell Structure and Function Volume: 45 Issue: 1 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1247/csf.19021
  • NAID: 130007784461
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] オートファジックボディの膜分解メカニズムの解明 (2022)
  • Author(s): 籠橋葉子、川俣(堀江)朋子、大隅良典
  • Organizer: 日本農芸化学会 2022
• [Presentation] オートファジーにおけるオルガネラ変形のメカニズム (2021)
  • Author(s): 中戸川仁
  • Organizer: 第23回酵母合同シンポジウム
• [Presentation] マクロヌクレオファジーにおける核膜変形のメカニズム (2021)
  • Author(s): 中戸川仁
  • Organizer: 新学術領域「マルチモードオートファジー」第3回班会議、第１４回オートファジー研究会
• [Presentation] オートファジー必須因子Atg9小胞の形成機構の解明に向けて (2021)
  • Author(s): 木村匠
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 出芽酵母においてオートファゴソームが液胞近傍で形成されることの意義 (2021)
  • Author(s): 榊原和哉
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 選択的オートファジーで分解されるオルガネラタンパク質の網羅的解析 (2021)
  • Author(s): 熊谷颯人
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 出芽酵母におけるオートファジーレセプターのリン酸化制御機構 (2021)
  • Author(s): 目黒創太
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] オートファジーにより優先的に分解される機能未知タンパク質の解析 (2021)
  • Author(s): 武田英吾、礒田隆宏、大隅良典
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム第54回研究報告会
• [Presentation] オートファジーを介したリボソーム-mRNA分解機構の解析 (2021)
  • Author(s): 牧野 支保、川俣 朋子、岩崎 信太郎 、大隅 良典
  • Organizer: 第73回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] Mechanism of ribosome-associated mRNA degradation by autophagy (2021)
  • Author(s): 牧野 支保、川俣 朋子、岩崎 信太郎 、大隅 良典
  • Organizer: 第22回日本RNA学会年会
• [Presentation] Selectivity of autophagy-mediated RNA degradation (2021)
  • Author(s): 牧野 支保、川俣 朋子、岩崎 信太郎 、大隅 良典
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] オートファジックボディの膜分解メカニズムの解明 (2021)
  • Author(s): 籠橋葉子、川俣(堀江)朋子、大隅良典
  • Organizer: オートファジー研究会 若手の会
• [Presentation] オートファジックボディの膜崩壊メカニズムの解析 (2021)
  • Author(s): 籠橋葉子、川俣(堀江)朋子、大隅良典
  • Organizer: 生化学会2021
• [Presentation] 出芽酵母におけるオートファジーによるグリコーゲンの取り込み (2021)
  • Author(s): 礒田隆宏、武田英吾、大隅良典
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会
• [Presentation] オートファジーがオルガネラ脂質組成に与える影響の解析 (2020)
  • Author(s): 中井春樹
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム 第53回研究報告会
• [Presentation] 選択的オートファジーの新規標的の探索 (2020)
  • Author(s): 黒田彩月
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム 第53回研究報告会
• [Presentation] Proper membrane shaping during autophagosome biogenesis is required for non-selective sequestration of cytoplasmic components (2020)
  • Author(s): 中戸川仁
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] ホスファチジルイノシトール 3-キナーゼ複合体IのPASへの局在化機構 (2020)
  • Author(s): 人見佳菜恵
  • Organizer: 第13回オートファジー研究会 若手の会
• [Presentation] オートファジーによるオルガネラ分解のメカニズム (2020)
  • Author(s): 中戸川仁
  • Organizer: 第62回 HiHA Webセミナー (Webinar)
  • Invited
• [Presentation] Mechanism of membrane dynamics underlying autophagic degradation of the ER(オートファジーによる小胞体分解を支える膜動態のメカニズム) (2019)
  • Author(s): 中戸川仁
  • Organizer: 日本細胞生物学会
  • Invited
• [Presentation] The Atg2-Atg18 complex tethers pre-autophagosomal membranes to the endoplasmic reticulum (2019)
  • Author(s): 小谷哲也
  • Organizer: 日中韓フォーサイト事業・第５回日中韓合同オートファジー研究会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Local Remodeling of the ER Membrane during its Selective Degradation by Autophagy (2019)
  • Author(s): 中戸川仁
  • Organizer: The 1st Symposium on Biogenesis and Trafficking of Intracellular and Extracellular Vesicles
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] オートファジーの分子メカニズム研究の新展開 (2019)
  • Author(s): 中戸川仁
  • Organizer: 日本遺伝学会第91回大会ワークショップ
• [Presentation] Pre-autophagosomal structureの形成機構に関する新たな洞察 (2019)
  • Author(s): 中戸川仁
  • Organizer: 日本生化学会シンポジウム
• [Presentation] 出芽酵母におけるマクロオートファジーとミクロオートファジーの連携 (2019)
  • Author(s): 中戸川仁
  • Organizer: 第12回オートファジー研究会・若手の会
• [Presentation] 隔離膜伸張におけるAtg24複合体の役割 (2019)
  • Author(s): 小谷哲也
  • Organizer: 第12回オートファジー研究会・若手の会
• [Presentation] 出芽酵母におけるオートファジーレセプターのリン酸化制御機構に関する解析 (2019)
  • Author(s): 目黒創太
  • Organizer: 第12回オートファジー研究会・若手の会
• [Presentation] Atg39のリン酸化を介したヌクレオファジーの制御機構 (2019)
  • Author(s): 伊従匠哉
  • Organizer: 第12回オートファジー研究会・若手の会
• [Presentation] 核の選択的オートファジーにおける核由来二重膜小胞の形成機構の解析 (2019)
  • Author(s): 大谷聡郁
  • Organizer: 第12回オートファジー研究会・若手の会
• [Presentation] PI3K複合体ⅠのPASへの局在化機構の解析 (2019)
  • Author(s): 人見佳菜恵
  • Organizer: 第12回オートファジー研究会・若手の会
• [Presentation] Selective Autophagic Degradation of the Nuclear Pore Complex/Nucleoporins (2019)
  • Author(s): 富岡優衣
  • Organizer: The 9th International Symposium on Autophagy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Atg8-mediated super-assembly of Atg40 locally remodels the ER during ER-phagy (2019)
  • Author(s): 中戸川仁
  • Organizer: The 9th International Symposium on Autophagy
  • Int'l Joint Research
• [Book] 酵母の選択的オートファジー 実験医学 特集「選択的オートファジー 既成概念を覆す分子機構と生理作用」2021年8月号 (2021)
  • Author(s): 中戸川仁
  • Total Pages: 6
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758125468
• [Remarks] 中戸川研究室Webページ
  • URL: http://www.nakatogawa-lab.bio.titech.ac.jp/
• [Remarks] 大隅研究室Webページ
  • URL: http://www.ohsumilab.aro.iri.titech.ac.jp/