ゴルジ体を中心とした膜交通機構の統合モデルの構築

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23H00382
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 中野 明彦 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 副チームリーダー (90142140)
• 研究分担者: 黒川 量雄 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 専任研究員 (40333504) ; 戸島 拓郎 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 上級研究員 (00373332) ; 伊藤 容子 お茶の水女子大学, ヒューマンライフサイエンス研究所, 特任助教 (10733016)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• キーワード: 膜交通 / ゴルジ体 / 選別輸送

研究実績の概要

我々が開発した高速超解像顕微鏡技術（Super-resolution Confocal Live Imaging Microscopy, SCLIM）を駆使し、動物細胞、植物細胞、酵母細胞における膜交通を可視化して、ゴルジ体とその隣接区画・関連区画におけるタンパク質選別のメカニズムの解明を進めた。本年度は、酵母のエンドサイトーシスの最初の区画が前期トランスゴルジ網であること（eLife 2023）、また小胞体―ゴルジ体中間区画が存在すること（eLife 2024）を世界で初めて示し、動物細胞や植物細胞との比較により真核生物共通のメカニズムを提唱した。また、ヒトの消化管間質腫瘍の原因が、変異KITチロシンキナーゼがトランスゴルジ網に停留して一群のシグナル伝達因子を活性化するためであることを明らかにし（Cell Reports 2023）、超解像ライブイメージングの医学応用の威力を示した。大阪大学やお茶の水女子大学との共同研究でもSCLIM技術を駆使し、ヒト細胞におけるゴルジ体ユニットの存在（Nature Communications in press）や植物細胞の小胞体―ゴルジ体中間区画の機能等に関する新規の事実を次々に明らかにしている。
SCLIM技術の開発も精力的に続けた。新規に完成したSCLIM2Mモデルでは、冷却型イメージインテンシファイアによる高S/Nのシグナル増倍により単一光子計測とノイズ除去を実現し、新たに開発した誤差評価を含んだ構造再構築アルゴリズムによって、空間で70-100 nm、時間で20立体／秒という高い分解能を達成し、国際的に大きな注目を得ている。

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

SCLIM顕微鏡技術により、これまで誰も見たことのないきわめて高い時空間分解能で、膜交通における選別輸送の過程を観察できるようになりつつある。3色完全同時の高速超解像4D計測により、たとえば動物細胞のトランスゴルジ網（TGN）における輸送キャリアの形成時に異なる積み荷タンパク質を同時に観察し、目的地の異なる積み荷がどの時点でどのように選別されているか等について、驚くべき現象を続々に発見している。世界随一のイメージング技術を駆使することの威力により、これまで漠然と想像するしか術がなかった選別過程を明確に可視化し、多くの謎に包まれていた分子機構が解明しつつある。

今後の研究の推進方策

2024年4月に、研究分担者であった理研の黒川量雄専任研究員が急逝した。大変残念なことであるが、彼が進めていた酵母膜交通に関する研究は、中野と戸島で責任をもって進めていく。また、2024年度一杯で、代表中野の所属チームが終了となる予定で、次年度以降、メンバー異動の可能性がある。計画通りに研究が推進できるよう最大限の努力を行う予定である。
SCLIM顕微鏡は引き続き理研で管理され、その利用には問題がない。メンバーの異動後も、動物細胞、植物細胞、酵母細胞での膜交通ライブイメージングを通じて、真核生物に共通する統合モデルの完成を目指していく。

研究成果

• [国際共同研究] Centre for Genomic Regulation/University of Seville(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: Centre for Genomic Regulation/University of Seville
• [国際共同研究] University of Bordeaux(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: University of Bordeaux
• [国際共同研究] Pohang Univ. of Science and Technology(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Pohang Univ. of Science and Technology
• [雑誌論文] Spatiotemporal dissection of the Golgi apparatus and the ER-Golgi intermediate compartment in budding yeast (2024)
  • 著者名/発表者名: Tojima Takuro、Suda Yasuyuki、Jin Natsuko、Kurokawa Kazuo、Nakano Akihiko
  • 雑誌名: eLife 巻: 13 ページ: e92900
  • DOI: 10.7554/eLife.92900
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamic movement of the Golgi unit and its glycosylation enzyme zones (2024)
  • 著者名/発表者名: A Harada, M Kunii, K Kurokawa, T Sumi, S Kanda, Y Zhang, S Nadanaka, K M Hirosawa, K Tokunaga, T Tojima, M Taniguchi, K Moriwaki, S Yoshimura, M-Yamamoto Hino, S Goto, T Katagiri, S Kume, M Hayashi-Nishino, M Nakano, E Miyoshi, K G N Suzuki, H Kitagawa, and A Nakano
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Full elucidation of sorting mechanisms in and around the Golgi apparatus by super-resolution live imaging (2024)
  • 著者名/発表者名: Akihiko Nakano
  • 雑誌名: Impact 巻: 2024 ページ: 13-15
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of a novel Golgi-localized putative glycosyltransferase protein in Arabidopsis thaliana (2024)
  • 著者名/発表者名: Rzepecka Natalia、Ito Yoko、Yura Kei、Ito Emi、Uemura Tomohiro
  • 雑誌名: Plant Biotechnology 巻: 41 ページ: 35～44
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.23.1214a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The yeast endocytic early/sorting compartment exists as an independent sub-compartment within the trans-Golgi network (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshima Junko Y、Tsukahara Ayana、Nagano Makoto、Tojima Takuro、Siekhaus Daria E、Nakano Akihiko、Toshima Jiro
  • 雑誌名: eLife 巻: 12 ページ: e84850
  • DOI: 10.7554/eLife.84850
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Golgi retention and oncogenic KIT signaling via PLCγ2-PKD2-PI4KIIIβ activation in gastrointestinal stromal tumor cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Obata Yuuki、Kurokawa Kazuo、Tojima Takuro、Natsume Miyuki、Shiina Isamu、Takahashi Tsuyoshi、Abe Ryo、Nakano Akihiko、Nishida Toshirou
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 42 ページ: 113035～113035
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.113035
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 分子夾雑の細胞生物学 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中野明彦
  • 雑誌名: CSJカレントレビュー 巻: 45 ページ: 22-25
  • 査読あり
• [雑誌論文] 高速超解像顕微鏡法により明らかになった膜交通の時空間ダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 戸島 拓郎、中野 明彦
  • 雑誌名: 顕微鏡 巻: 58 ページ: 80～83
  • DOI: 10.11410/kenbikyo.58.2_80
  • 査読あり
• [雑誌論文] GPIアンカー型タンパク質の選別輸送の品質管理 (2023)
  • 著者名/発表者名: 花岡和樹, 黒川量雄, 船戸耕一
  • 雑誌名: 生化学 巻: 95 ページ: 228-233
  • 査読あり
• [学会発表] Paradigm shifts in membrane traffic research _ Seeing is believing? (2024)
  • 著者名/発表者名: Akihiko Nakano
  • 学会等名: 5th CIBoG Retreat (16th NAGOYA Global Retreat)
  • 招待講演
• [学会発表] 動物細胞を用いたポストゴルジ膜交通の高速超解像ライブイメージング (2024)
  • 著者名/発表者名: 松浦公美、宮代大輔、山本航、戸島拓郎、宮脇敦史、中野明彦
  • 学会等名: 第11回RAPシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 高速超解像顕微鏡による膜交通の時空間動態の観察 (2024)
  • 著者名/発表者名: 戸島拓郎
  • 学会等名: 第11回RAPシンポジウム
• [学会発表] 酵母RUSH法開発とライブセルイメージングへの応用 (2024)
  • 著者名/発表者名: 神奈亜子、中野明彦
  • 学会等名: 第11回RAPシンポジウム
• [学会発表] フェムト秒レーザーで作製した3D CYTOPマイクロ流路内を移動するがん細胞の高解像度観察 (2024)
  • 著者名/発表者名: 半澤未来、小幡孝太郎、シマ フェリックス、河野弘幸、戸島拓郎、宮代大輔、尾笹一成、花田修賢、中野明彦、宮地悟代、宮脇敦史、杉岡幸次
  • 学会等名: 第11回RAPシンポジウム
• [学会発表] 透明フッ素樹脂CYTOP製3次元マイクロ流体チップの作製と高解像度細胞観察 (2024)
  • 著者名/発表者名: 半澤未来、小幡孝太郎、シマ フェリックス、河野弘幸、戸島拓郎、宮代大輔、尾笹一成、花田修賢、中野明彦、宮地悟代、宮脇敦史、杉岡幸次
  • 学会等名: 光・量子デバイス研究会
• [学会発表] 膜交通経路分岐の場トランスゴルジ網における積荷選別の可視化解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 清水 優太朗、中野 明彦、植村 知博
  • 学会等名: 第26回植物オルガネラワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 超解像ライブイメージングを用いた花粉管伸長におけるVAMP72グループの動態解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 東出あんな、伊藤瑛海、伊藤容子、海老根一生、上田貴志、中野明彦、植村知博
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナSYLK(Syntaxin 6-like protein in vascular plant)の機能解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 東出さら、伊藤瑛海 、伊藤容子、清水優太朗、晝間敬、中野明彦、植村知博
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] A novel Arabidopsis thaliana protein, POTI, plays an important role in maintaining integrity of pollen tubes (2024)
  • 著者名/発表者名: Natalia Julia Rzepecka, 伊藤瑛海，伊藤容子，植村知博
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 病原菌応答におけるRABH1 GTPase の機能解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 岩下明日香、大堀智博、伊藤容子、伊藤瑛海、中野明彦、上田貴志、植村知博
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] BY-2 細胞を用いたシロイヌナズナRABH1b のダイナミクスの解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 玄田菜緒、伊藤容子、伊藤瑛海、植村知博
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナNPSN の花粉管伸長における動態解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 林初音、伊藤容子、伊藤瑛海、植村知博
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] RABH1 が関与する花成制御の研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 佐藤愛咲、伊藤容子、伊藤瑛海、植村知博
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 接木におけるオルガネラ動態のイメージング (2024)
  • 著者名/発表者名: 中三川菜穂、大竹知佳、伊藤瑛海、伊藤容子、植村知博
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Vacuoles/lysosomes are newly generated from endosomes (2023)
  • 著者名/発表者名: 神 唯、小泉美智子、神奈亜子、Lois はWeisman、中野明彦、大隅良典
  • 学会等名: Gordon Research Conference on Molecular Membrane Biology
  • 国際学会
• [学会発表] A novel Arabidopsis thaliana protein, POTI, plays an important role in maintaining pollen tubes’ integrity (2023)
  • 著者名/発表者名: Natalia Julia Rzepecka, 伊藤瑛海，伊藤容子，植村知博
  • 学会等名: 23rd Meeting of the European Network for Plant Endomembrane Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dynamic behavior of VAMP727 between the trans-Golgi network and the RAB5-positive endosome in Arabidopsis (2023)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Shimizu, Shinya Hagihara, Akihiko Nakano, Tomohiro Uemura
  • 学会等名: 23rd Meeting of the European Network for Plant Endomembrane Research
  • 国際学会
• [学会発表] Plants as the key for exploring the universality and diversity of the ER-Golgi interface (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoko Ito
  • 学会等名: International Research Network France-Japan Frontiers in Plant Biology Symposium 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dynamics of the VAMP72 group during pollen tube elongation (2023)
  • 著者名/発表者名: Anna Tode, Emi Ito, Yoko Ito, Kazuo Ebine, Takashi Ueda, Akihiko Nakano, Tomohiro Uemura
  • 学会等名: International Research Network France-Japan Frontiers in Plant Biology Symposium 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Functional analysis of Arabidopsis thaliana SYLK(Syntaxin 6-like protein in vascular plant (2023)
  • 著者名/発表者名: Sara Tode, Emi Ito, Yoko Ito, Yutaro Shimizu, Kei Hiruma, Akihiko Nakano, Tomohiro Uemura
  • 学会等名: International Research Network France-Japan Frontiers in Plant Biology Symposium 2023
  • 国際学会
• [学会発表] ER-to-Golgi trafficking via an intermediate cis-Golgi tubular network in Arabidopsis (2023)
  • 著者名/発表者名: Louise Fougere, Magali Grison, Yoko Ito, Patricia Laquel, Matheus Montrazi, Fabrice Cordelieres, Monica Fernandez Monreal, Christel Poujol, Tomohiro Uemura, Akihiko Nakano, Yohann Boutte
  • 学会等名: International Research Network France-Japan Frontiers in Plant Biology Symposium 2023
  • 国際学会
• [学会発表] A novel Arabidopsis thaliana protein, POTI, plays an important role in maintaining pollen tubes’ integrity (2023)
  • 著者名/発表者名: Natalia Julia Rzepecka, Emi Ito, Yoko Ito, Tomohiro Uemura
  • 学会等名: 33rd International Conference on Arabidopsis Research
  • 国際学会
• [学会発表] ゴルジ体時空間ダイナミクスの可視化解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 戸島拓郎
  • 学会等名: 第75回日本細胞生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] エンドサイトーシス経路における初期TGN区画による積荷選別とRab5局在区画の形成機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: 十島二朗、長野真、戸島拓郎、中野明彦、十島純子
  • 学会等名: 第75回日本細胞生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 植物細胞のゴルジ体形成ダイナミクスから見る小胞体-ゴルジ体境界の保存性と多様性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤容子
  • 学会等名: 第75回日本細胞生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 動物細胞のTGNにおける膜交通のライブイメージング解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松浦公美、山本航、戸島拓郎、中野明彦
  • 学会等名: 第75回日本細胞生物学会年会
• [学会発表] 生化学者の地動説 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中野明彦
  • 学会等名: 第96回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 消化管間質細胞腫のKITチロシンキナーゼのゴルジ停留およびシグナル発信の原因はPLCγ2-PKD2-PI4KIIIβ経路の活性化である (2023)
  • 著者名/発表者名: 小幡裕希、黒川量雄、戸島拓郎、夏目美祐希、椎名勇、高橋剛、安部良、中野明彦、西田俊朗
  • 学会等名: 第96回日本生化学会大会
• [学会発表] 分泌経路においてタンパク質の糖鎖修飾を規定する分子機構の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 齋藤泰輝、山田梨乃、中野里音、犬塚健剛、足達俊吾、戸島拓郎、古川潤一、本田怜奈、谷中冴子、矢木真穂、矢木宏和，加藤晃一
  • 学会等名: 第87回日本生化学会中部支部例会
• [学会発表] 膜交通のダイナミクスの真実に迫る―酵母RUSH法開発とライブセルイメージングへの応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 神奈亜子、黒川量雄、戸島拓郎、須田泰之、中野明彦
  • 学会等名: 酵母遺伝学フォーラム第56回研究報告会
• [学会発表] ゴルジ体・トランスゴルジ網の時空間ダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 戸島 拓郎
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 超解像ライブセルイメージングによるオルガネラ間膜接着を介した新規積荷輸送機構の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 神 奈亜子、黒川 量雄、中野 明彦
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 動物細胞におけるポストゴルジ輸送キャリアのライブイメージング (2023)
  • 著者名/発表者名: 松浦公美、山本航、戸島拓郎、中野明彦
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Vacuoles/lysosomes are newly generated from endosomes (2023)
  • 著者名/発表者名: 神 唯、小泉美智子、神奈亜子、Lois Weisman、中野明彦、大隅良典
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 哺乳動物細胞のゴルジ体のサブコンパートメントにおける糖転移酵素の局在解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 立尾清悟、齋藤泰輝、戸島拓郎、甲賀大輔、矢木宏和、加藤晃一
  • 学会等名: 第32回日本バイオイメージング学会学術集会
• [学会発表] 花粉管の伸長に関与するシロイヌナズナの新規ゴルジ局在タンパク質の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: Natalia Julia Rzepecka, 伊藤瑛海，伊藤容子，植村知博
  • 学会等名: 第10回日本エンドメンブレンミーティング
• [学会発表] ゴルジ体ートランスゴルジ網間の物理的接着および積荷輸送に関わるタンパク質の探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水 優太朗、萩原 伸也、中野 明彦、植村 知博
  • 学会等名: 第10回日本エンドメンブレンミーティング
• [学会発表] 高速超解像ライブイメージング顕微鏡SCLIMを用いたポストゴルジ膜交通の観察 ー動物細胞への応用ー (2023)
  • 著者名/発表者名: 松浦公美、山本航、戸島拓郎、中野明彦
  • 学会等名: 第10回日本エンドメンブレンミーティング
• [学会発表] 植物ゴルジ体のコア”GECCO”局在タンパク質の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤容子、中野明彦、植村知博
  • 学会等名: 第10回日本エンドメンブレンミーティング
• [学会発表] Dynamics of the VAMP72 group during pollen tube elongation (2023)
  • 著者名/発表者名: 東出あんな、伊藤瑛海、伊藤容子、海老根一生、上田貴志、中野明彦、植村知博
  • 学会等名: 第10回日本エンドメンブレンミーティング
• [学会発表] シロイヌナズナSYLK(Syntaxin 6-like protein in vascular plant)の機能解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 東出さら、伊藤瑛海 、伊藤容子、清水優太朗、晝間敬、中野明彦、植村知博
  • 学会等名: 第10回日本エンドメンブレンミーティング
• [学会発表] 膜交通のハブTGNにおける積荷の仕分けと脂質の関わり (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤容子
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会
  • 招待講演
• [学会発表] 花粉管伸長におけるVAMP72グループの動態解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 東出あんな、伊藤瑛海、伊藤容子、海老根一生、上田貴志、中野明彦、植村知博
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会
• [学会発表] シロイヌナズナSYLK(Syntaxin 6-like protein in vascular plant)の機能解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 東出さら、伊藤瑛海 、伊藤容子、清水優太朗、晝間敬、中野明彦、植村知博
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会
• [学会発表] Analysis of a novel trans-Golgi/TGN-localized protein family in Arabidopsis thaliana (2023)
  • 著者名/発表者名: Natalia Julia Rzepecka, 伊藤瑛海，伊藤容子，植村知博
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会
• [学会発表] 病原菌応答におけるTGN局在SNAREの機能 (2023)
  • 著者名/発表者名: 田浦愛美、遠藤彩瑛 、八丈野孝、伊藤瑛海、伊藤容子、中野明彦、植村知博
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会
• [備考] 中野明彦ラボ
  • URL: http://sclim.riken.jp