植物細胞に残る未知の膜交通経路 ～液胞からの逆行輸送機構の解明～

• 研究課題/領域番号: 21H02515
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 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: 上田 貴志 基礎生物学研究所, 細胞動態研究部門, 教授 (10311333)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2023年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2022年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2021年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: 液胞 / 膜交通 / リサイクリング / シロイヌナズナ / 逆行輸送 / sorting nexin / バイオイメージング / retromer / PICALM

研究開始時の研究の概要

植物細胞は多くのオルガネラから成り立っています．その中でも液胞は最大の体積を占め，タンパク質の分解や貯蔵，空間充填，細胞内の恒常性の維持などの重要な役割を担っています．これまで液胞への物質輸送経路については多くの研究がなされてきましたが，液胞からタンパク質を回収する仕組みについてはその存在も含めよく分かっていませんでした．本研究では液胞からの膜タンパク質の回収機構を明らかにすることを目指します．

研究実績の概要

植物の液胞膜からタンパク質を回収する仕組みが存在するのか、存在するとすれば、それはどのような分子機構によっているのかを、液胞膜と後期エンドソームの融合を実行するエンドソームタンパク質であるVAMP727をモデルカーゴとして明らかにするべく研究を進めている。令和3年度までに、光変換タンパク質を用いた実験により、VAMP727が液胞膜から回収される経路の存在を証明した。さらに、VAMP727と共沈降してくる分子を質量分析で同定することにより、VAMP727の相互作用因子候補を複数同定した。令和4年度においては、それらの相互作用因子のうち、VAMP727の液胞膜からのリサイクリングに関わる可能性のある分子を選び出すべく遺伝学的な解析を進めた。sorting nexinおよびretromer複合体の各サブユニットについて変異体を収集し、それらにGFP-VAMP727を導入して局在への影響を調べた。その結果、retromerの変異体ではGFP-VAMP727のエンドソーム局在に変化が見られなかったのに対し、sorting nexin変異体ではGFP-VAMP727が液胞膜に蓄積することを見いだした。この結果は、sorting nexinがVMAP727の液胞膜からのリサイクリングに関与している可能性を示している。現在、sorting nexin変異体でsorting nexinを発現誘導することで、液胞膜からVAMP727が回収されるかを検証すべく準備を進めている。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

これまでにVAMP727の液胞膜からのリサイクリング経路の実在を証明するとともに、そこで機能すると考えられる分子の候補を同定していることから、研究が当初の計画以上に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

引き続き、候補因子の変異体を用いた解析を行うとともに、AlphaScreen法やnative MSなどの手法を用いてVAMP727と候補因子の結合を生化学的に解析する。さらに、VAMP727が液胞膜から回収される過程をリアルタイムで可視化する。必要に応じて超解像顕微鏡を用いた観察を実施する。成果を国際誌に発表するとともに、プレスリリースなどを通じて広く公開する。

研究成果

• [雑誌論文] Autophagy regulates plastid reorganization during spermatogenesis in the liverwort Marchantia polymorpha (2023)
  • 著者名/発表者名: Norizuki Takuya、Minamino Naoki、Sato Miyuki、Ueda Takashi
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 14 ページ: 1-8
  • DOI: 10.3389/fpls.2023.1101983
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Vacuoles (2023)
  • 著者名/発表者名: Ebine Kazuo、Ueda Takashi
  • 雑誌名: Encyclopedia of Cell Biology 巻: Second Edition ページ: 426-434
  • DOI: 10.1016/b978-0-12-821618-7.00154-1
  • ISBN: 9780128216248
  • 査読あり
• [雑誌論文] Normal oil body formation in Marchantia polymorpha requires functional coat protein complex I proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Kanazawa T, Nishihama R, Ueda T
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 13 ページ: 979066-979066
  • DOI: 10.3389/fpls.2022.979066
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Remodeling of organelles and microtubules during spermiogenesis in the liverwort Marchantia polymorpha (2022)
  • 著者名/発表者名: Minamino Naoki、Norizuki Takuya、Mano Shoji、Ebine Kazuo、Ueda Takashi
  • 雑誌名: Development 巻: 149 号: 15 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1242/dev.200951
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Phylogenetic distribution and expression pattern analyses identified a divergent basal body assembly protein involved in land plant spermatogenesis (2022)
  • 著者名/発表者名: Koshimizu Shizuka、Minamino Naoki、Nishiyama Tomoaki、Yoro Emiko、Sato Mayuko、Wakazaki Mayumi、Toyooka Kiminori、Ebine Kazuo、Sakakibara Keiko、Ueda Takashi、Yano Kentaro
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 236 号: 3 ページ: 1182-1196
  • DOI: 10.1111/nph.18385
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamic rearrangement and autophagic degradation of mitochondria during spermiogenesis in the liverwort Marchantia polymorpha (2022)
  • 著者名/発表者名: Norizuki Takuya、Minamino Naoki、Sato Miyuki、Tsukaya Hirokazu、Ueda Takashi
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 39 号: 11 ページ: 110975-110975
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.110975
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Autophagy regulates organelle reorganization during spermiogenesis in the liverwort Marchantia polymorpha (2022)
  • 著者名/発表者名: Norizuki Takuya、Ueda Takashi
  • 雑誌名: Autophagy 巻: 18 号: 10 ページ: 2503-2504
  • DOI: 10.1080/15548627.2022.2096396
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Renaissance and Enlightenment of Marchantia as a model system (2022)
  • 著者名/発表者名: Bowman, J.L., Berger,F., Briginshaw, L.N., Davies, K.M., Dierschke, T., Dolan,L., Fisher, T.J., Flores-Sandoval,E., Futagami,K., Ishizaki, K., Kato, H., Kohchi, T., Levins, J., Lin, S-S., Nishihama, R., Romani, R., Tanizawa, Y., Tsuzuki, M., Watanabe,Y., Yamato, K.T., Zachgo, S.
  • 雑誌名: The Plant Cell 巻: 34 号: 10 ページ: 3512-3542
  • DOI: 10.1093/plcell/koac219
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Membrane trafficking functions of the ANTH/ENTH/VHS domain‐containing proteins in plants (2022)
  • 著者名/発表者名: Feng Yihong、Hiwatashi Takuma、Minamino Naoki、Ebine Kazuo、Ueda Takashi
  • 雑誌名: FEBS Letters 巻: 596 号: 17 ページ: 2256-2268
  • DOI: 10.1002/1873-3468.14368
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 苔類の「油体」から探る植物のオルガネラ進化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 金澤建彦，上田貴志
  • 雑誌名: 化学と生物 巻: 60 ページ: 5-7
• [学会発表] Recycling pathway from the vacuole in plant cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Ueda
  • 学会等名: NIBB-COS Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] How plants aquired new organelles -Lessons from Marchantia- (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi Ueda
  • 学会等名: Plant Cell Dynamics 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] How a new vacuolar trafficking pathway emerges -lessons from plants- (2021)
  • 著者名/発表者名: 上田貴志
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞・オルガネラ動態の周期性表出の分子基盤を探る (2021)
  • 著者名/発表者名: 上田貴志
  • 学会等名: 日本植物学会第85回大会
  • 招待講演
• [学会発表] 植物に学ぶ生存戦略~オルガネラ獲得編~ (2021)
  • 著者名/発表者名: 上田貴志
  • 学会等名: 第7回生体調節研究所内分泌代謝シンポジウム
  • 招待講演
• [備考] 植物の精子形成におけるオートファジーの役割を解明
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/pressroom/news/2022/06/15.html
• [備考] 植物の精子形成に関わる新規因子を発見 ～基底小体タンパク質が獲得した新機能～
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/pressroom/news/2022/08/05.html
• [備考] 植物細胞の大変身 ～ゼニゴケ精子形成の過程でおこる劇的な細胞構造の転換過程が明らかに～
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/pressroom/news/2022/08/08.html