多様なマイトファジーの分子機構と生理的意義の解明

• Project Area: Multimode autophagy: Diverse pathways and selectivity
• Project/Area Number: 19H05712
• 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: Niigata University
• Principal Investigator: 神吉 智丈 新潟大学, 医歯学系, 教授 (50398088)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松田 憲之 東京医科歯科大学, 難治疾患研究所, 教授 (10332272) ; 佐藤 美由紀 群馬大学, 生体調節研究所, 教授 (70321768)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥119,340,000 (Direct Cost: ¥91,800,000、Indirect Cost: ¥27,540,000); Fiscal Year 2023: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2022: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2021: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2020: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2019: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000)
• Keywords: ミトコンドリア / オートファジー / マイトファジー / ユビキチン

Outline of Research at the Start

マクロオートファジーによる選択的ミトコンドリア分解はマイトファジーと呼ばれ、ミトコンドリア恒常性維持に関わる極めて重要な現象である。マイトファジーの分子機構は生物種ごとに特異性があるため、その分子機構や生理的意義には不明な点が多い。本研究では、複数の生物種（酵母、線虫、哺乳類）をモデル生物とし多面的な解析を行い、マイトファジーの統合的な理解を目指す。特に、マイトファジーを、「レセプター依存的マイトファジー」と「ユビキチン依存的マイトファジー」に大別して分子機構と生理的意義の解明を進める。

Outline of Annual Research Achievements

ミトコンドリアオートファジー（マイトファジー）は、オートファジーが選択的にミトコンドリアを分解する現象であり、ミトコンドリア機能維持に重要な役割を持つと考えられている。本研究では、生物種ごとに多様性のあるマイトファジーの分子機構を、複数の生物種をモデルとして解析し、マイトファジーの統合的理解を目指している。
出芽酵母では、マイトファジー誘導時にマイトファジーレセプターAtg32がリン酸化されることが重要であるが、昨年度は、このリン酸化は、Atg32とFar複合体の結合と解離によって制御されていることを明らかにしていた。当該年度は、Atg32とFar複合体の結合に、Far8、Far3、Far7が関与している可能性を見出した。
マウスを用いた研究では、マイトファジーを観察するための蛍光タンパク質が発現したマウスを開発することに成功した（マイトファジーモニタリングマウス）。このマウスの後肢をギプス固定し骨格筋を廃用性萎縮させ、その過程のマイトファジーを観察したところ、筋廃用性萎縮時には、マイトファジーが強く誘導されていることが明らかとなった。
ヒト培養細胞における研究では、PINK1とParkinがマイトファジーを誘導する際に下流で機能する因子の探索を行い、BCAS3とC16orf70を同定した。両者は複合体を形成した。さらにBCAS3 - C16orf70複合体が、PI3Pとの結合を介してマイトファジー誘導時に隔離膜に局在化する新規因子であることを解明した。
線虫を用いた研究では、線虫の筋組織においてマイトファジーを効率的に誘導する条件を検討し、いくつかのマイトファジー誘導条件を見出すことができている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまでの研究では、酵母、哺乳類培養細胞、マウスの研究で十分な成果が出ており、研究は予想通りに進展していると考えられる。線虫を用いた研究では、マイトファジーを誘導するための条件も決定できつつあり、今後の研究推進が期待できる。こうしたことから、研究は「おおむね順調に進展している」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

●これまでの研究を継続し、酵母、哺乳類（培養細胞とマウス）、線虫をモデル生物種としてマイトファジーの分子機構と生理学的意義の統合的理解を目指す。
●当該年度は、マウスの骨格筋廃用性萎縮時のマイトファジーの解析を行ったが、今後は、他の臓器、例えば心臓や神経に焦点を当てた解析を行う予定である。これらの臓器において、マイトファジー因子であるParkinの関与について、マイトファジーモニタリングマウスとParkin_KOマウスを交配して用いることで解析を進める。
●線虫の筋組織でマイトファジーを誘導、観察する方法がほぼ確立されたため、線虫におけるマイトファジー因子を同定するために、マイトファジーに関連していると考えられている因子をsiRNAなどで発現抑制し、マイトファジーに関連する因子を同定する。そのうえで、Mitophagyにおける標的ミトコンドリアの認識機構をさらに詳細に検討する。また、Mitophagy関連因子の変異体についてストレス感受性などの表現型を探索し、生理的な意義の解明を目指す。
●最近同定した分裂酵母マイトファジーレセプターであるAtg43について、どのようなメカニズムでAtg43が活性化されマイトファジーが誘導されるかについて解析を進めていく。出芽酵母では、Atg32とFar複合体の結合様式とその解離機構について、Far3とFar7を中心に解析を進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] カリフォルニア工科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] Seoul National University(韓国)
• [Journal Article] Mitophagy in Yeast: Molecular Mechanism and Regulation (2021)
  • Author(s): Innokentev Aleksei、Kanki Tomotake
  • Journal Title: Cells Volume: 10 Issue: 12 Pages: 3569-3569
  • DOI: 10.3390/cells10123569
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] <i>Fis1</i> ablation in the male germline disrupts mitochondrial morphology and mitophagy, and arrests spermatid maturation (2021)
  • Author(s): Varuzhanyan Grigor、Ladinsky Mark S.、Yamashita Shun-ichi、Abe Manabu、Sakimura Kenji、Kanki Tomotake、Chan David C.
  • Journal Title: Development Volume: 148 Issue: 16
  • DOI: 10.1242/dev.199686
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The optineurin/TIA1 pathway inhibits aberrant stress granule formation and reduces ubiquitinated TDP-43 (2021)
  • Author(s): Kakihana Taichi、Takahashi Masahiko、Katsuragi Yoshinori、Yamashita Shun-Ichi、Sango Junya、Kanki Tomotake、Onodera Osamu、Fujii Masahiro
  • Journal Title: iScience Volume: 24 Issue: 7 Pages: 102733-102733
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102733
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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 &amp; Molecular Biology Volume: 28 Issue: 7 Pages: 583-593
  • DOI: 10.1038/s41594-021-00614-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mitophagy reporter mouse analysis reveals increased mitophagy activity in disuse‐induced muscle atrophy (2021)
  • Author(s): Yamashita Shun‐Ichi、Kyuuma Masanao、Inoue Keiichi、Hata Yuki、Kawada Ryu、Yamabi Masaki、Fujii Yasuyuki、Sakagami Junko、Fukuda Tomoyuki、Furukawa Kentaro、Tsukamoto Satoshi、Kanki Tomotake
  • Journal Title: Journal of Cellular Physiology Volume: N/A Issue: 11 Pages: 7612-7624
  • DOI: 10.1002/jcp.30404
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Syntaxin 17, an ancient SNARE paralog, plays different and conserved roles in different organisms (2021)
  • Author(s): Kato Shun、Arasaki Kohei、Tokutomi Natsuki、Imai Yuzuru、Inoshita Tsuyoshi、Hattori Nobutaka、Sasaki Taeko、Sato Miyuki、Wakana Yuichi、Inoue Hiroki、Tagaya Mitsuo
  • Journal Title: Journal of Cell Science Volume: 134 Issue: 22
  • DOI: 10.1242/jcs.258699
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mammalian BCAS3 and C16orf70 associate with the phagophore assembly site in response to selective and non-selective autophagy (2021)
  • Author(s): Kojima W, Yamano K, Kosako H, Imai K, Kikuchi R, Tanaka K, Matsuda N
  • Journal Title: Autophagy Volume: - Issue: 8 Pages: 1-26
  • DOI: 10.1080/15548627.2021.1874133
  • NAID: 120007174412
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cleaved PGAM5 dephosphorylates nuclear serine/arginine-rich proteins during mitophagy. (2021)
  • Author(s): Baba, T., Tanimura, S., Yamaguchi, A., Horikawa, K., Yokozeki, M., Hachiya, S., Iemura, S., Natsume, T., Matsuda, N. and Takeda, K.
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research Volume: 11868 Issue: 7 Pages: 119045-119045
  • DOI: 10.1016/j.bbamcr.2021.119045
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Loss of peptide: N -glycanase causes proteasome dysfunction mediated by a sugar-recognizing ubiquitin ligase (2021)
  • Author(s): Yoshida Yukiko、Asahina Makoto、Murakami Arisa、Kawawaki Junko、Yoshida Meari、Fujinawa Reiko、Iwai Kazuhiro、Tozawa Ryuichi、Matsuda Noriyuki、Tanaka Keiji、Suzuki Tadashi
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 118 Issue: 27
  • DOI: 10.1073/pnas.2102902118
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Unfolding is the driving force for mitochondrial import and degradation of the Parkinson's disease-related protein DJ-1 (2021)
  • Author(s): Queliconi BB, Kojima W, Kimura M, Imai K, Udagawa C, Motono C, Hirokawa T, Tashiro S, Caaveiro JMM, Tsumoto K, Yamano K, Tanaka K, Matsuda N
  • Journal Title: J Cell Sci Volume: 134 Issue: 22 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1242/jcs.258653
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mitophagy regulation mediated by the Far complex in yeast (2021)
  • Author(s): Furukawa Kentaro、Innokentev Aleksei、Kanki Tomotake
  • Journal Title: Autophagy Volume: 17 Issue: 4 Pages: 1042-1043
  • DOI: 10.1080/15548627.2021.1885184
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atg43, a novel autophagy-related protein, serves as a mitophagy receptor to bridge mitochondria with phagophores in fission yeast (2021)
  • Author(s): Fukuda Tomoyuki、Kanki Tomotake
  • Journal Title: Autophagy Volume: 17 Issue: 3 Pages: 826-827
  • DOI: 10.1080/15548627.2021.1874662
• [Journal Article] MITOL promotes cell survival by degrading Parkin during mitophagy (2021)
  • Author(s): Shiiba Isshin、Takeda Keisuke、Nagashima Shun、Ito Naoki、Tokuyama Takeshi、Yamashita Shun‐Ichi、Kanki Tomotake、Komatsu Toru、Urano Yasuteru、Fujikawa Yuuta、Inatome Ryoko、Yanagi Shigeru
  • Journal Title: EMBO reports Volume: 22 Issue: 3
  • DOI: 10.15252/embr.201949097
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tripartite suppression of fission yeast TORC1 signaling by the GATOR1-Sea3 complex, the TSC complex, and Gcn2 kinase (2021)
  • Author(s): Fukuda Tomoyuki、Sofyantoro Fajar、Tai Yen Teng、Chia Kim Hou、Matsuda Takato、Murase Takaaki、Morozumi Yuichi、Tatebe Hisashi、Kanki Tomotake、Shiozaki Kazuhiro
  • Journal Title: eLife Volume: 10
  • DOI: 10.7554/elife.60969
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular mechanisms and physiological functions of mitophagy (2021)
  • Author(s): Onishi Mashun、Yamano Koji、Sato Miyuki、Matsuda Noriyuki、Okamoto Koji
  • Journal Title: The EMBO Journal Volume: 40 Issue: 3 Pages: 1-1
  • DOI: 10.15252/embj.2020104705
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Degradation of paternal mitochondria via mitophagy (2021)
  • Author(s): Sasaki Taeko、Sato Miyuki
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects Volume: 1865 Issue: 6 Pages: 129886-129886
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2021.129886
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Association and dissociation between the mitochondrial Far complex and Atg32 regulate mitophagy (2020)
  • Author(s): Innokentev Aleksei、Furukawa Kentaro、Fukuda Tomoyuki、Saigusa Tetsu、Inoue Keiichi、Yamashita Shun-ichi、Kanki Tomotake
  • Journal Title: eLife Volume: 9
  • DOI: 10.7554/elife.63694
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Atg43 tethers isolation membranes to mitochondria to promote starvation-induced mitophagy in fission yeast (2020)
  • Author(s): Fukuda Tomoyuki、Ebi Yuki、Saigusa Tetsu、Furukawa Kentaro、Yamashita Shun-ichi、Inoue Keiichi、Kobayashi Daiki、Yoshida Yutaka、Kanki Tomotake
  • Journal Title: eLife Volume: 9
  • DOI: 10.7554/elife.61245
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Critical role of mitochondrial ubiquitination and the OPTN?ATG9A axis in mitophagy (2020)
  • Author(s): Yamano Koji、Kikuchi Reika、Kojima Waka、Hayashida Ryota、Koyano Fumika、Kawawaki Junko、Shoda Takuji、Demizu Yosuke、Naito Mikihiko、Tanaka Keiji、Matsuda Noriyuki
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 219 Issue: 9 Pages: 1-23
  • DOI: 10.1083/jcb.201912144
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ERdj8 governs the size of autophagosomes during the formation process (2020)
  • Author(s): Yamamoto Yo-hei、Kasai Ayano、Omori Hiroko、Takino Tomoe、Sugihara Munechika、Umemoto Tetsuo、Hamasaki Maho、Hatta Tomohisa、Natsume Tohru、Morimoto Richard I.、Arai Ritsuko、Waguri Satoshi、Sato Miyuki、Sato Ken、Bar-Nun Shoshana、Yoshimori Tamotsu、Noda Takeshi、Nagata Kazuhiro
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 219 Issue: 8 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1083/jcb.201903127
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gemcitabine induces Parkin-independent mitophagy through mitochondrial-resident E3 ligase MUL1-mediated stabilization of PINK1. (2020)
  • Author(s): Igarashi R, Yamashita SI, Yamashita T, Inoue K, Fukuda T, Fukuchi T, Kanki T.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 10(1) Issue: 1 Pages: 1465-1465
  • DOI: 10.1038/s41598-020-58315-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] FKBP8 LIRL‐dependent mitochondrial fragmentation facilitates mitophagy under stress conditions (2020)
  • Author(s): Yoo Seung‐Min、Yamashita Shun‐ichi、Kim Hyunjoo、Na DoHyeong、Lee Haneul、Kim Seo Jin、Cho Dong‐Hyung、Kanki Tomotake、Jung Yong‐Keun
  • Journal Title: The FASEB Journal Volume: 34 Issue: 2 Pages: 2944-2957
  • DOI: 10.1096/fj.201901735r
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Two sides of a coin: Physiological significance and molecular mechanisms for damage-induced mitochondrial localization of PINK1 and Parkin (2020)
  • Author(s): Matsuda Noriyuki、Yamano Koji
  • Journal Title: Neuroscience Research Volume: in press Pages: 16-24
  • DOI: 10.1016/j.neures.2020.03.009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulatory mechanisms of mitochondrial autophagy: Lessons from yeast (2019)
  • Author(s): Kentaro Furukawa, Aleksei Innokentev, Tomotake Kanki
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 10 Pages: 1479-1479
  • DOI: 10.3389/fpls.2019.01479
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Parkin‐mediated ubiquitylation redistributes MITOL/March5 from mitochondria to peroxisomes (2019)
  • Author(s): Koyano Fumika、Yamano Koji、Kosako Hidetaka、Kimura Yoko、Kimura Mayumi、Fujiki Yukio、Tanaka Keiji、Matsuda Noriyuki
  • Journal Title: EMBO reports Volume: 20 Issue: 12
  • DOI: 10.15252/embr.201947728
  • NAID: 120006942558
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 廃用性筋萎縮時のマイトファジー (2021)
  • Author(s): 神吉 智丈
  • Organizer: 第7回日本筋学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] リン酸化修飾によるマイトファジー制御 (2021)
  • Author(s): 神吉 智丈
  • Organizer: 第20回日本ミトコンドリア学会年会
• [Presentation] ミトコンドリアオートファジーの誘導機構 (2021)
  • Author(s): 神吉智丈
  • Organizer: J-mit 特別 オンラインシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] ミトコンドリアオートファジーの分子機構 (2021)
  • Author(s): 神吉智丈
  • Organizer: 第23回植物オルガネラワークショップ
  • Invited
• [Presentation] Ppg1とFar複合体によるmitophagyの制御機構 (2019)
  • Author(s): 神吉智丈
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] PINK1, Parkin and the ubiquitin system (2019)
  • Author(s): Noriyuki Matsuda
  • Organizer: 5th World Parkinson Congress
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] New role for PINK1/Parkin-mediated ubiquitylation (2019)
  • Author(s): Noriyuki Matsuda
  • Organizer: Singapore Mitochondrial Mini-Symposium 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 新潟大学大学院医歯学総合研究科機能制御学分野
  • URL: https://www.med.niigata-u.ac.jp/mit/