Reconsidering algal CO2-concentrating organelles from the perspective of liquid-liquid phase separation

• Project/Area Number: 20H03073
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 40040:Aquatic life science-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 山野 隆志 京都大学, 生命科学研究科, 准教授 (70570167)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2021: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2020: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
• Keywords: 相分離 / CO2濃縮機構 / ピレノイド / 葉緑体 / クラミドモナス

Outline of Research at the Start

相分離は、溶液が均質に混じり合わずに二相に分離する現象である。相分離の考え方を導入することで、膜のないオルガネラの形成、染色体の構造と転写制御、タンパク凝集が引き起こす病気の原理などが統一的に理解できることから、細胞生物学の分野を中心に注目を集めている。しかし、「相分離生物学」とも呼ばれるこれらの知見の集積は、動物細胞を用いた研究に限定されていた。本研究は、藻類が持つ相分離するオルガネラをモデルとして、水圏環境の光合成の維持に関わるCO2濃縮機構を相分離の視点で捉え直すことである。相分離生物学にこれまで視点が欠けていた植物の知見を取り入れ、生命現象における相分離の普遍性と多様性を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、藻類が持つ液-液相分離(以下、相分離)するオルガネラをモデルとして、水圏環境の光合成の維持に関わるCO2濃縮機構を相分離の視点で捉え直すことである。これにより、動植物に共通した相分離オルガネラの形成・分裂の分子メカニズムを探る。具体的には、藻類の葉緑体内に多く見られる、CO2固定酵素Rubiscoが凝集した構造であるピレノイドについて、1) 相分離する性質を持つピレノイドの構成因子、2) ピレノイド構成因子の１細胞観察によるドロプレット内の分子の振る舞い、3) 相分離の状態が異常になったピレノイド変異株のスクリーニングによる、ピレノイドの消失・生成・数・分裂を制御する因子の同定、について明らかにする。昨年度は、2021年度に立ち上げたマイクロ流体デバイスを用いたピレノイド分裂の高解像度リアルタイム１細胞観察系を用いて、異なる環境条件（主にCO2濃度条件）におけるドロプレット内の分子の振る舞いを定量的に測定し、環境条件におけるドロップレットの性質の違いを明らかにした。また、2021年度に単離したピレノイド形成不全株の解析を進め、その結果を国内外の学会で発表するとともに、国際学術誌に報告した（Shimamura et al. 2023）。さらに、ピレノイドの数に注目し、その数が異常になった変異株の単離を進め、その解析結果について、プリンストンで開かれた国際会議で招待講演を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ピレノイド形成異常変異株の表現型解析結果について、原著論文として報告したとともに、ピレノイドの高解像度リアルタイム1細胞観察を用いた新規ピレノイド形成変異株の単離と解析を進めており、論文投稿の準備をしていることから、「おおむね順調に進展している」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

Rubisco、ピレノイド周囲に局在するタンパク質、デンプン鞘に局在するタンパク質、ピレノイドチューブ(ピレノイドに貫入したチラコイド膜)に局在するタンパク質とVenusとの融合タンパク質を発現する株を作出し、細胞分裂時におけるそのダイナミクスを評価する。また、これまで単離したピレノイドの数が異常になった変異株の原因遺伝子を同定し、機能を解析するとともに、その変異株におけるピレノイド分裂の様子を同様に1細胞観察する。野生株と変異株のピレノイドの分裂の挙動を定量的に比較解析できる系を立ち上げる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] POSTECH(韓国)
• [Journal Article] A pyrenoid-localized protein SAGA1 is necessary for Ca2+-binding protein CAS-dependent expression of nuclear genes encoding inorganic carbon transporters in Chlamydomonas reinhardtii (2023)
  • Author(s): Shimamura Daisuke、Yamano Takashi、Niikawa Yuki、Hu Donghui、Fukuzawa Hideya
  • Journal Title: Photosynthesis Research Volume: － Issue: 2 Pages: 181-192
  • DOI: 10.1007/s11120-022-00996-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hyperosmotic stress-induced microtubule disassembly in Chlamydomonas reinhardtii (2022)
  • Author(s): Ng Lee Mei、Komaki Shinichiro、Takahashi Hideyuki、Yamano Takashi、Fukuzawa Hideya、Hashimoto Takashi
  • Journal Title: BMC Plant Biology Volume: 22 Issue: 1 Pages: 46-46
  • DOI: 10.1186/s12870-022-03439-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterization of a CO2-Concentrating Mechanism with Low Sodium Dependency in the Centric Diatom Chaetoceros gracilis (2021)
  • Author(s): Tsuji Yoshinori、Kusi-Appiah George、Kozai Noriko、Fukuda Yuri、Yamano Takashi、Fukuzawa Hideya
  • Journal Title: Marine Biotechnology Volume: 23 Issue: 3 Pages: 456-462
  • DOI: 10.1007/s10126-021-10037-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] CO2-dependent migration and relocation of LCIB, a pyrenoid-peripheral protein in <i>Chlamydomonas reinhardtii</i> (2021)
  • Author(s): Yamano Takashi、Toyokawa Chihana、Shimamura Daisuke、Matsuoka Toshiki、Fukuzawa Hideya
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 188 Issue: 2 Pages: 1081-1094
  • DOI: 10.1093/plphys/kiab528
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The <i>Chlamydomonas</i> bZIP transcription factor BLZ8 confers oxidative stress tolerance by inducing the carbon-concentrating mechanism (2021)
  • Author(s): Choi Bae Young、Kim Hanul、Shim Donghwan、Jang Sunghoon、Yamaoka Yasuyo、Shin Seungjun、Yamano Takashi、Kajikawa Masataka、Jin EonSeon、Fukuzawa Hideya、Lee Youngsook
  • Journal Title: The Plant Cell Volume: 34 Issue: 2 Pages: 910-926
  • DOI: 10.1093/plcell/koab293
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pyrenoid Starch Sheath Is Required for LCIB Localization and the CO2-Concentrating Mechanism in Green Algae (2020)
  • Author(s): Toyokawa Chihana、Yamano Takashi、Fukuzawa Hideya
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 182 Issue: 4 Pages: 1883-1893
  • DOI: 10.1104/pp.19.01587
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Raman image-activated cell sorting. (2020)
  • Author(s): Nitta et al.
  • Journal Title: Nature communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 3452-3452
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17285-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chlamydomonas reinhardtii tubulin-gene disruptants for efficient isolation of strains bearing tubulin mutations (2020)
  • Author(s): Kato-Minoura Takako, Ogiwara Yutaro, Yamano Takashi, Fukuzawa Hideya, Kamiya Ritsu
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 15 Issue: 11 Pages: e0242694-e0242694
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0242694
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Functional analysis of LCI15, which suppresses the CO2-concentrating mechanism in the green algae Chlamydomonas reinhardtii (2023)
  • Author(s): Shizuka Miichi, Daisuke Shimamura, Junko Yasuda, Takashi Yamano, Hideya Fukuzawa
  • Organizer: 19th International Student Seminar
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Isolation and Characterization of Liquid-Liquid Phase Separated Pyrenoid Mutants with the Aberrant Morphology in the Green Alga Chlamydomonas reinhardtii (2023)
  • Author(s): Yumeka Masuda, Tatsuhiro Kotoge, Hideya Fukuzawa, Takashi Yamano
  • Organizer: 19th International Student Seminar
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] クラミドモナスのCO2濃縮機構を抑制するCobW-WWドメインタンパク質の局在と機能 (2023)
  • Author(s): 見市 静香、嶋村 大亮、安田 詢子、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] クラミドモナスにおけるピレノイド形成異常変異株の単離と解析 (2023)
  • Author(s): 増田 夢佳、小峠 達大、福澤 秀哉、山野 隆志
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] 緑藻のMYB型転写因子LCR1が制御する炭酸脱水酵素とCO2チャネルによるCO2濃縮機構の駆動 (2023)
  • Author(s): 池内 友彰、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] ピレノイドに局在するSAGA1 タンパク質はCa2+結合性タンパク質CASによる無機炭素輸送体の遺伝子発現に必要である (2023)
  • Author(s): 嶋村 大亮、新川友貴、HU Donghui、山野隆志、福澤秀哉
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] CO2-dependent migration and relocation of LCIB, a pyrenoid-peripheral protein in Chlamydomonas reinhardtii (2022)
  • Author(s): Takashi Yamano
  • Organizer: The 10th International Symposium on Inorganic Carbon Utilization by Aquatic Photosynthetic Organisms
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Abnormal pyrenoid morphology due to the SAGA1 mutation affects CAS-dependent gene expression and CAS localization in Chlamydomonas reinhardtii (2022)
  • Author(s): Daisuke Shimamura, Takashi Yamano, Yuuki Niikawa, Hu Donghui, Hideya Fukuzawa
  • Organizer: The 10th International Symposium on Inorganic Carbon Utilization by Aquatic Photosynthetic Organisms
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 緑藻ピレノイドの相分離現象とCO2濃縮 (2022)
  • Author(s): 山野 隆志
  • Organizer: 日本植物学会 第86回大会
  • Invited
• [Presentation] CO2濃縮機構を制御する緑藻クラミドモナスのWWドメイン含有タンパク質 (2022)
  • Author(s): 嶋村 大亮、安田 詢子、大垣 美萌、山原 洋佑、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 日本植物学会 第86回大会
• [Presentation] 液-液相分離する緑藻ピレノイドの１細胞高解像度観察 (2022)
  • Author(s): 山野 隆志、小峠 達大、 福澤 秀哉
  • Organizer: ユーグレナ研究会第37回研究集会
• [Presentation] CO2濃縮機構を制御する緑藻クラミドモナスのWWドメイン含有タンパク質 (2022)
  • Author(s): 嶋村 大亮、安田 詢子、大垣 美萌、山原 洋佑、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 第18回京大植物縦横無尽の会ワークショップ
• [Presentation] 緑藻クラミドモナスのCO2濃縮機構を制御するCCM1/CBP1複合体の機能 (2022)
  • Author(s): 安田 詢子、嶋村 大亮、大垣 美萌、山原 洋佑、中野 博文、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 緑藻クラミドモナスが持つピレノイドの形態変化はCO2濃縮機構に関わる遺伝子の発現に影響を与える (2022)
  • Author(s): 嶋村 大亮、新川 友貴、胡 東輝、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 液-液相分離する緑藻ピレノイドのCO2濃度変化における動態解析 (2022)
  • Author(s): 小峠 達大、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 緑藻クラミドモナスのCO2濃縮機構を制御するCCM1の新規機能ドメインとモチーフの探索 (2022)
  • Author(s): 大垣 美萌、嶋村大亮、山野隆志、福澤秀哉
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] ツノケイソウChaetoceros gracilisはNa+への依存度が低いCO2濃縮機構を有する (2021)
  • Author(s): 辻 敬典、George Kusi-Appiah、香西 紀子、福田 有里、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 第21回マリンバイオテクノロジー学会大会
• [Presentation] Pyrenoid-localized protein SAGA1 is required for the expression of some CCM-related genes (2021)
  • Author(s): Daisuke Shimamura, Yuki Niikawa, Donghui HU, Takashi Yamano, Hideya Fukuzawa
  • Organizer: 19th International Conference on the Cell and Molecular Biology of Chlamydomonas
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 1細胞高解像度イメージングにより得られた緑藻ピレノイドの細胞分裂時のダイナミクス (2021)
  • Author(s): 小峠 達大、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 日本植物学会 第85回大会
• [Presentation] FRAP法を用いた液-液相分離する緑藻ピレノイドの動態解析 (2021)
  • Author(s): 小峠 達大、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 第17回京大植物縦横無尽の会ワークショップ
• [Presentation] 緑藻クラミドモナスのCO2濃縮機構を制御するCCM1/CBP1複合体の機能解析 (2021)
  • Author(s): 安田 詢子、嶋村 大亮、山原 洋佑、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 第17回京大植物縦横無尽の会ワークショップ
• [Presentation] C/N ストレス条件下で、クロロフィル蓄積量に異常を示すバルデー・ビードル症候群関連タンパク質9（BBS9）変異体の解析 (2021)
  • Author(s): 木下 あかり、辻 敬典、新川 はるか、梶川 昌孝、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 第14回クラミドモナス研究会 （オンライン開催）
• [Presentation] 緑藻における重炭酸イオンチャネルLCIAの発現調節変異株の解析 (2021)
  • Author(s): 渡辺 健太、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 第14回クラミドモナス研究会 （オンライン開催）
• [Presentation] 緑藻葉緑体におけるCO2に応答した炭酸脱水酵素の局在変化 (2021)
  • Author(s): 山野 隆志、豊川 知華、嶋村 大亮、福澤 秀哉
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会 （島根 オンライン開催）
• [Presentation] 緑藻のデンプン鞘はCO2濃縮機構に寄与する (2020)
  • Author(s): 山野 隆志、豊川 知華、福澤 秀哉
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会 （名古屋 オンライン開催）
• [Book] 「ピレノイド：光合成におけるCO2濃縮装置」相分離生物学の全貌（白木賢太郎 編) (2020)
  • Author(s): 山野 隆志
  • Total Pages: 5
  • Publisher: 東京化学同人
  • ISBN: 9784807913466
• [Remarks] 研究代表者が所属する研究室のホームページ
  • URL: https://www.molecule.lif.kyoto-u.ac.jp/index.html
• [Remarks] 京大プレスリリース「葉緑体タンパク質が働く場所を変化させ光合成の能力を柔軟に維持する仕組みを発見」
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2021-12-23-2
• [Remarks] 研究代表者が所属する研究室のホームページ
  • URL: http://www.molecule.lif.kyoto-u.ac.jp/index.html
• [Remarks] 京都大学プレスリリース「光合成により生じたデンプンの新たな機能を発見」
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2020-05-26-1