ペルオキシソームタンパク質輸送を制御するユビキチンシグナルの役割

• 研究課題/領域番号: 20K06711
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分44030:植物分子および生理科学関連
• 研究機関: 基礎生物学研究所
• 研究代表者: 真野 昌二 基礎生物学研究所, オルガネラ制御研究室, 准教授 (20321606)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: ペルオキシソーム / シロイヌナズナ / apem変異体 / タンパク質輸送 / Peroxin / ユビキチン化 / ゼニゴケ / ユビキチン / 植物

研究開始時の研究の概要

ペルオキシソームを構成するタンパク質は全て核ゲノムにコードされているため、ペルオキシソームへの正確なタンパク質輸送がペルオキシソームの機能発現に重要である。申請者が単離したシロイヌナズナのapem7変異体はタンパク質輸送異常を示し、APEM7遺伝子がコードする Peroxin 4 (PEX4) が、ユビキチン結合活性をもつことが明らかとなった。植物ペルオキシソームの膜上には、PEX4の他にもユビキチン化に関わる因子が存在し、それらの機能低下はタンパク質輸送異常を示す。本研究では、ペルオキシソーム膜上のユビキチンシグナルの分子機構の解明と、植物種間における共通性／特異性を明らかにする。

研究成果の概要

シロイヌナズナapem7 (aberrant peroxisome morphology 7) 変異体の解析から、ペルオキシソームタンパク質膜上のユビキチン化の分子機構を明らかにした。APEM7遺伝子が植Peroxin 4 (PEX4)をコードしており、ユビキチン系のE2酵素であるユビキチン結合活性をもち、apem7変異によるユビキチン化の異常がペルオキシソームタンパク質輸送効率の低下を引き起こすことが明らかとなった。このユビキチン化を介したペルオキシソームタンパク質輸送経路は、基部陸上植物のゼニゴケにおいても存在することから、植物の陸上化の初期に既に獲得されていることが明らかとなった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ユビキチン化によるペルオキシソームタンパク質輸送制御は、酵母や動物でも報告されているものの植物での知見は少なかった。同定したPEX4は植物以外では酵母でのみ確認されており、実際にユビキチン結合活性を確認できたのは、多細胞生物では本研究が初めてである。また、進化過程における基部陸上植物のゼニゴケにおいても、同じ制御機構の存在が示されたことから、この制御機構の植物における普遍性に迫ることができた。しかしながら、この制御機構は動物や酵母で全く同じではなく、生物種に応じた違いがあることが示唆され、真核生物におけるユビキチン制御以降の共通性と多様性の理解に繋がる知見として意義がある。

研究成果

• [国際共同研究] Jagiellonian University(ポーランド)
• [雑誌論文] Cloning and functional verification of endogenous U6 promoters for the establishment of efficient CRISPR/Cas9-based genome editing in Castor (Ricinus communis) (2023)
  • 著者名/発表者名: Kanai, M., Hikino, K., and Mano, S.
  • 雑誌名: Genes 巻: 14 号: 7 ページ: 1327-1327
  • DOI: 10.3390/genes14071327
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pexophagy in plants: a mechanism to remit cells from oxidative damage caused under high-intensity light (2023)
  • 著者名/発表者名: Goto-Yamada Shino、Oikawa Kazusato、Hayashi Yasuko、Mano Shoji、Yamada Kenji、Nishimura Mikio
  • 雑誌名: Autophagy 巻: 19 号: 5 ページ: 1611-1613
  • DOI: 10.1080/15548627.2023.2175570
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pexophagy suppresses ROS-induced damage in leaf cells under high-intensity light (2022)
  • 著者名/発表者名: Oikawa, K., Goto-Yamada, S., Hayashi, Y., Takahashi, D., Kimori, Y., Shibata, M., Yoshimoto, K., Takemiya, A., Kondo, M., Hikino, K., Kato, A., Shimoda, K., Ueda, H., Uemura, M., Numata, K., Ohsumi, Y., Hara-Nishimura, I., Mano, S., Yamada, K., and Nishimura, M.
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 7 号: 1 ページ: 7493-7493
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35138-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ubiquitin-Conjugating Activity by PEX4 is Required for Efficient Protein Transport to Peroxisomes in Arabidopsis thaliana (2022)
  • 著者名/発表者名: Mano Shoji、Hayashi Yasuko、Hikino Kazumi、Otomo Masayoshi、Kanai Masatake、Nishimura Mikio
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: - 号: 6 ページ: 102038-102038
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102038
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Image-based analysis revealing the molecular mechanism of peroxisome dynamics in plants (2022)
  • 著者名/発表者名: Goto-Yamada, S., Oikawa, K., Yamato, T.K., Kanai, M., Hikino, K., Nishimura, M., and Mano, S.
  • 雑誌名: Front. Cell Dev. Biol. 巻: 10 ページ: 883491-883491
  • DOI: 10.3389/fcell.2022.883491
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Molecular mechanism for peroxisomal protein transport via the ubiquitin system (2023)
  • 著者名/発表者名: Mano, S, Goto-Yamada, S., Hayashi, Y., Hikino, K., Kanai, M., and Nishimura, M.
  • 学会等名: The 33rd International Conference on Arabidopsis Research
  • 国際学会
• [学会発表] 植物ペキソファジーは、強光下でおこるROS生成による植物細胞の傷害を抑制する (2023)
  • 著者名/発表者名: 及川和聡、後藤(山田)志野、林八寿子、柴田美智太郎、近藤真紀、真野昌二、上田晴子、西村いくこ、山田健志、西村幹夫
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナのペルオキシソームへの効率的なタンパク質輸送にはPEX4によるユビキチン結合活性が必要である (2022)
  • 著者名/発表者名: 真野昌二、林八寿子、曳野和美、大友政義、金井雅武、西村幹夫
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会
• [学会発表] ユビキチン系に制御されたペルオキシソームタンパク質輸送系の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 真野昌二、林八寿子、曳野和美、大友政義、金井雅武、西村幹夫
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ペルオキシソームのオートファジー分解に関わるPEUP10タンパク質の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 後藤（山田）志野、及川和聡、真野昌二、西村幹夫、山田健志
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ペルオキシソーム形成に関わるシロイヌナズナAPEM6様タンパク質の機能比較 (2021)
  • 著者名/発表者名: 神垣あかね、西村幹夫、真野昌二
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 水溶性ビタミンを介した母体による胚と胚乳の発生制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石本聖絵、鈴木雅晴、杉木愛、木嵜暁子、真野昌二、野坂（髙橋）実鈴、鈴木俊哉、タキムニュン、志水（佐藤）佐江、豊田敦、鈴木孝征、田畑亮、櫻井望、澤進一郎、長戸康郎、マッカーティードナルド、佐藤豊
  • 学会等名: 日本植物学会第84回大会
• [図書] Modifications in Biomacromolecules (2024)
  • 著者名/発表者名: Mano, S., Hikino, K., and Kanai, M.
  • 総ページ数: 170
  • 出版者: IntechOpen
  • ISBN: 9781803559971
• [図書] In Plant Omics. Advances in big data biology (2022)
  • 著者名/発表者名: Kanai, M., Tamura, K., Tarnawska-Glatt, K., Goto-Yamada, S., Yamada, K., and Mano, S.
  • 総ページ数: 270
  • 出版者: CABI
  • ISBN: 9781789247510