Unraveling mTORC1 activity dynamics and its information processing in cell proliferation

• Project/Area Number: 22K06230
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44010:Cell biology-related
• Research Institution: The University of Tokushima (2024); Institute of Physical and Chemical Research (2022-2023)
• Principal Investigator: 小松 直貴 徳島大学, 大学院医歯薬学研究部(医学域), 助教 (30737440)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2025: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: mTORC1 / S6K / 細胞周期 / 生細胞イメージング / FRET / 活性操作 / mTOR / FRETプローブ / シグナル伝達 / 蛍光プローブ

Outline of Research at the Start

mTOR複合体1(mTORC1)は細胞外からの様々な入力を感知し、代謝の制御を介して、複数の生理機能に関わるという最重要のシグナル伝達分子である。しかしながらmTORC1が生きた細胞内でどのような時間パターンで活性化するのか、実はほとんど分かっていない。本研究では、mTORC1は細胞が増殖する際にどのような時間パターンで活性化するのか、またmTORC1活性化の時間パターンによって細胞増殖はどのように制御されるのか、その原理を生細胞イメージングや分子活性の時間操作を用いて明らかにする。本研究の達成により、mTORC1の活性動態とその生物学的意義に関する新たな知見がもたらされると期待される。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、生細胞蛍光イメージングによりmTORC1の活性とその下流の一つである細胞周期を可視化すること、加えて分子操作によりmTORC1活性のダイナミクスと細胞周期との因果関係を明らかにすることを目的としている。最終年度である今年度は、前年度に開発したmTORC1の活性操作系を用いることでmTORC1下流の表現型、具体的には翻訳、オートファジーおよび細胞周期進行に摂動を与えることができるか検討した。
翻訳について。血清およびアミノ酸飢餓をかけたヒト子宮頸がん由来HeLa細胞においてmTORC1活性化を誘導したところ、タンパク質合成が促進した。その度合いは血清およびアミノ酸の再添加と同程度であった。オートファジーについて。オートファゴソームマーカーであるLC3にGFPおよびHalotagを融合した遺伝子をHeLa細胞に発現させ、血清およびアミノ酸飢餓をかけ生細胞イメージングを行ったところ、オートファゴソームの形成が活発に起きていることを確認した。イメージングの途中でmTORC1活性化を誘導したところオートファゴソーム形成は誘導後速やかに抑制された。細胞周期について。因子Xの除去によりmTORC1が不活性化し、かつ細胞周期のG1期で停止しているヒト乳腺上皮由来MCF10A細胞についてmTORC1活性化を誘導したところ、G1期からS期への移行がおきた。これらの結果は、mTORC1の活性操作によりその下流の表現型を制御できることを示している。特に細胞周期に関する結果は、mTORC1活性化がG1→S遷移における十分条件であることを示している。今後は現在得られた結果を深化させ、論文化する。

Research Products

• [Presentation] Development of chemogenetic tools for temporal control of mTORC1 activity in living cells. (2024)
  • Author(s): 小松 直貴, 宮脇 敦史
  • Organizer: 第47回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 生細胞内でmTORC1活性を時間操作するための化学遺伝学ツールの開発 (2024)
  • Author(s): 小松 直貴, 宮脇 敦史
  • Organizer: 第76回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] Visualization of cell cycle-dependent mTORC1/S6K activation (2023)
  • Author(s): 小松 直貴, 宮脇 敦史
  • Organizer: 第61回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 細胞周期依存的なmTORC1活性化の可視化 (2022)
  • Author(s): 小松直貴、宮脇敦史
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会