2019 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Multimode autophagy: Diverse pathways and selectivity |
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19H05709
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
阪井 康能 京都大学, 農学研究科, 教授 (60202082)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | オートファジー / 液胞 / ミクロオートファジー / リソソーム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、リソソーム（液胞）膜が直接変形し細胞質成分を包み込み内部へ輸送するミクロオートファジーの膜動態分子機構を膜動態の多様性に即して明らかにすることを目的としている。特に、マクロオートファジーに機能する Atg タンパク質群、エンドサイトーシスに機能する ESCRT タンパク質群のうち、これまでミクロオートファジーにおける機能を見出したものについて、複数のリソソーム分解経路間での機能使い分けの分子機構を明らかにし、ミクロオートファジーと他のオートファジー経路とのインターワークを明らかにすることで、マルチモードオートファジーを新たな共通基盤として理解する。
本年度は、出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeのミクロオートファジーにおけるユビキチン鎖認識の必要性を詳細に解析した。このミクロオートファジーではESCRTタンパク質の1つVps27が機能するが、本タンパク質の持つユビキチン鎖認識領域に変異を導入し、48番目のリシン残基を介して形成されるユビキチン鎖と、63番目のリシン残基を介して形成されるユビキチン鎖に対し結合性の異なる変異タンパク質を発現させた。結果として、脂肪滴に対するミクロオートファジーでは、液胞膜タンパク質に対するミクロオートファジーと異なり、48番目のリシン残基を介して形成されるユビキチン鎖への結合が重要であることを見出した。
また出芽酵母を対象とした研究から、脂肪滴に局在するタンパク質Osw5がステロール合成における鍵酵素のひとつErg1のオートファジー分解に関与することも見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ミクロオートファジー研究において残されている最も重要な課題の一つは、分解の対象となる細胞質成分をリソソーム／液胞膜がどのようにして認識しているか、という問いに答えることである。出芽酵母を用いた多くの研究の中でも、この分解対象の認識機構については、核の一部を分解するミクロオートファジーにおいてその分子機構が知られるのみで、他のオルガネラを対象とするものについては不明である。植物や哺乳類のミクロオートファジーにおいては、この認識機構は全く解明されていないといっても過言ではない。このような状況において、本研究が見出したVps27（哺乳類ではHRSタンパク質）とユビキチン鎖の結合がミクロオートファジーに機能する、という発見の重要性は、Vps27、ユビキチンともに真核生物に高度に保存されたタンパク質であることから、これらがミクロオートファジーにおける分解対象の認識メカニズムとして一般的に用いられている可能性があるという点で特筆すべきものである。
また、出芽酵母の脂肪滴局在タンパク質Osw5がステロール合成経路タンパク質の一つErg1のオートファジー分解に関与する、という発見は、オートファジーによるステロール合成活性の制御を強く示唆している。Osw5の機能としては、脂肪滴のミクロオートファジーによる分解に寄与する、という報告が海外の複数研究から出されているが、その分子メカニズムは不明なままである。本タンパク質は、その欠損が酵母の胞子膜透過性を顕著に増大する表現型もたらすものとして元来同定されたが、その作用機序についてはいまだに不明である。ステロール合成の制御としては小胞体関連分解（ERAD）によるステロール合成酵素群の分解が知られているが、本研究によりオートファジーもまたこの制御を支える機構であることが示唆される。
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| Strategy for Future Research Activity |
出芽酵母を用いた今年度の研究から、ESCRT 分子群の１つVps27タンパク質のユビキチン鎖認識変異体発現株で特定のミクロオートファジーが抑制されることを見出したことから、今後はユビキチンリガーゼの変異株において同様の抑制がみられるかを網羅的に調べる。
また、脂肪滴局在タンパク質Osw5がステロール合成経路タンパク質の一つErg1のオートファジー分解に関与するという発見に基づき、今後はOsw5欠損株がもたらす脂質合成・代謝経路への影響を網羅的に解析する。またOsw5によるErg1のオートファジー分解に寄与する他のAtgタンパク質を明らかにする。Erg1以外のステロール合成経路の酵素についても、Osw5依存性のオートファジーにより分解を受けるかどうかを調べる。
本研究者らの近年の研究から、Atg8をマクロオートファジー膜構造体に局在させる鍵となるAtg5-Atg12タンパク質複合体形成が、メタノール資化性酵母Komagataella phaffiiにおいては他のほとんどの生物種とは異なり非共有結合であることが分かった。この生物学的意義を明らかにするため、Atg5,Atg12の複合体形成が外来環境に応じて制御されるのかどうか、制御されるとすればどのような分子メカニズムに基づくかを調べる。
これまで哺乳類細胞におけるミクロオートファジーの存在は主に電子顕微鏡解析により示唆された一方でその定量的な評価法は確立しておらず、分子機構理解の進展を妨げる一因となってきた。今後は、哺乳類培養細胞系においてミクロオートファジーに付随して起こるリソソーム膜のターンオーバーを追跡する解析系を構築し、電子顕微鏡解析とを組み合わせて哺乳類細胞におけるミクロオートファジーの新たな研究手法の確立をめざす。
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[Journal Article] A peroxisome deficiency-induced reductive cytosol state up-regulates the brain-derived neurotrophic factor pathway.2020
Author(s)
Abe Y, Honsho M, Kawaguchi R, Matsuzaki T, Ichiki Y, Fujitani M, Fujiwara K, Hirokane M, Oku M, Sakai Y, Yamashita T, Fujiki Y
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Journal Title
The Journal of Biological Chemistry
Volume: 295
Pages: 5321-5334
DOI
Peer Reviewed
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