２０２３年５⽉１２⽇

報道機関

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新規ミトコンドリア分裂因⼦を発⾒〜マイトファジーの過程におけるミトコンドリア分裂のメカニズムを解明〜
ミトコンドリアオートファジー（マイトファジー）は、オートファジー （ １ ） がミトコンドリアを選択的に分解する現象であり、ミトコンドリアの品質管理に重要な役割を果たします。マイトファジーの過程で、ミトコンドリアはオートファゴソームと呼ばれる球状の脂質膜に包まれます。この際に、⼤きなミトコンドリアが⼩さなオートファゴソームに包み込まれるメカニズムは、⻑らく不明でした。
新潟⼤学⼤学院医⻭学総合研究科の福⽥智⾏准教授、古川健太郎医学部准教授、神吉智丈教
授、微⽣物化学研究所の丸⼭達朗上級研究員、北海道⼤学遺伝⼦病制御研究所の野⽥展⽣教授
らの研究グループは、新規のミトコンドリア分裂因⼦である Mitofissin（Mitochondrial fissionprotein、マイトフィッシン）を発⾒し、この因⼦がマイトファジーの際にミトコンドリアをオートファゴソームに収まる⼤きさに分裂させることを明らかにしました。また、Mitofissin は、ミトコンドリア膜に直接作⽤して膜を切断することができるため、分裂の機序に関するこれまでの概念を覆す新たなメカニズムで作⽤することも明らかにしました。本研究は、マイトファジーの分⼦機構について未解決であった問題を解明しただけではなく、オルガネラ（細胞⼩器官）の形態変形に関する全く新しいメカニズムの存在を明らかにした点でも、重要な成果です。
本研究は、⽣命創成探究センター／⽣理学研究所の村⽥和義特任教授、理化学研究所⽣命機能科学研究センターの岡⽥康志チームリーダー（東京⼤学⼤学院医学系研究科教授）、新潟⼤学の芝⽥晋介教授、⽶国ミシガン⼤学 Daniel J. Klionsky 教授らとの共同研究で⾏われました。
【本研究成果のポイント】
 新規ミトコンドリア分裂因⼦ Mitofissin/Atg44 を発⾒ Mitofissin によるミトコンドリア分裂がマイトファジーに必須であることを解明
 Mitofissin はミトコンドリア膜に直接結合し、膜の脆弱性を⽣み出すことで膜を切断することを解明

I．研究の背景
ミトコンドリアは、細胞が必要とするエネルギーの⼤半を産⽣する⾮常に重要なオルガネラです。細胞内には、⼤⼩さまざまなサイズのミトコンドリアが存在し、分裂することで⼩さくなり、融合することで⼤きくなります。オートファジーがミトコンドリアを分解するためには、ミトコンドリアがオートファゴソームより⼩さくなる必要があります（図 1）。本研究グループ
は以前、ミトコンドリア分裂に必須と考えられていたダイナミン様タンパク質（酵⺟では Dnm1、哺乳類では Drp1）（ ２ ） がマイトファジーには必要ないことを報告しました（Yamashita et al.

JCB 2016）。そのため、Dnm1/Drp1 以外のミトコンドリア分裂因⼦がマイトファジーに関与している可能性が⽰唆されましたが、そのような因⼦の存在⾃体も含めて、分裂のメカニズムは全く理解されていませんでした。

図 1 マイトファジーの未解明問題（A）オートファジーの模式図。オートファジーが誘導されると、細胞質で隔離膜と呼ばれる扁平な⼩胞が形成されます。次に、隔離膜はカップ状に伸⻑し、細胞質成分を取り込みながら球状のオートファゴソームとなります。最終的に、オートファゴソームはリソソーム/液胞と融合し、取り込まれていた細胞質成分が分解されます。
（B）マイトファジーの際には、オートファゴソームがミトコンドリアを包み込む必要があります。細胞内のほとんどのミトコンドリアは、⼀般的なオートファゴソーム（直径 500nm）よりも遙かに⼤きいため、ミトコンドリアを⼩さくする必要がありますが、そのメカニズムは不明でした。

II．研究の概要
本研究グループは、酵⺟ （ ３ ） を⽤いてマイトファジーに必須の因⼦を探索し、Atg44 タンパク質を同定しました。後述のように、Atg44 の主たる機能がミトコンドリア分裂の促進であったことから、この種のタンパク質を Mitofissin (Mitochondrial fission protein)と命名しました。
Mitofissin は、ミトコンドリア膜間腔に局在し、73 のアミノ酸で構成される⼩さなタンパク質でした。Mitofissin の⽋損株は、既知のミトコンドリア分裂因⼦ Dnm1 の⽋損株と同じような、膨潤した⼤きなミトコンドリア形態を⽰すことが分かりました。また、Mitofissin の⽋損株では、マイトファジーが誘導されると、ミトコンドリアから隔離膜の形成基点に向けてミトコンドリアの突起が形成され、この突起を隔離膜が包み込もうとしますが、ミトコンドリア分裂が抑制されているため、突起がミトコンドリアの本体とつながった状態でマイトファジーが停⽌することが明らかになりました。これらの結果から、Mitofissin はミトコンドリア分裂因⼦であり、Mitofissin が引き起こすミトコンドリア分裂がマイトファジーに必須であると結論付けました。さらに、Mitofissin をヒト培養細胞において発現させると、Drp1 とは独⽴にミトコンドリアが分裂することが観察されたことからも、Mitofissin がミトコンドリア分裂因⼦であることが裏付けられました。

In vitro 実験（ ４ ）において、精製した Mitofissin を脂質ナノチューブに添加すると、脂質ナノチューブの切断が観察されました（図 2A）。また、マイカ基板上に脂質膜を⽤意し、Mitofissinを添加した後に⾼速 AFM（ ５ ） で観察すると、Mitofissin が脂質膜辺縁に集積し、その部位の脂質膜が切断される様⼦が観察されました（図 2B）。Mitofissin の結晶構造解析（ ６ ）から、Mitofissinは疎⽔性⾯と親⽔性⾯を持つ両親媒性構造を有しており、疎⽔性⾯が脂質膜に結合することがシミュレーション解析により⽰唆されました。以上から、Mitofissin は脂質膜に直接結合し、脂質膜の脆弱性を産み出すことで膜を切断すると考えられます。

図 2 Mitofissin は脂質膜を切断する（A）脂質ナノチューブ（0 秒の画像の⽩い線）は、Mitofissin（紫で標識されている）が添加されると、切断され始め（⻘の⽮頭）、600 秒後には複数の箇所で切断が⾒られます。
（B）⾼速 AFM を⽤いた Mitofissin による脂質膜切断の観察。Mitofissin 添加前は、脂質膜は辺縁が整った像（オレンジ⾊の部分）として観察されます。Mitofissin 添加後は、脂質膜が切断され、辺縁が乱れた断⽚になる様⼦が観察されます。また、Mitofissin（⽩い点として観察される）は、脂質膜辺縁に結合していることがわかります。

III．研究の成果
本研究グループは、新規のミトコンドリア分裂因⼦である Mitofissin を同定し、その機能解析と構造解析から、従来知られていたダイナミン様タンパク質によるミトコンドリア分裂とは異なる作⽤機序でミトコンドリアを分裂させていることを発⾒しました。また、Mitofissin は、マイトファジーの際にミトコンドリアをオートファゴソームに収まる⼤きさにするために必須であることも明らかにし、マイトファジーの分⼦機構に関する最⼤の謎を解明することができました（図 3）。ミトコンドリアの形態変化とマイトファジーは、互いに協調して機能することでミトコンドリアの品質を維持しています。そのため、マイトファジーに必須のミトコンドリ
ア分裂因⼦ Mitofissin の発⾒と解析は、ミトコンドリアの機能低下を伴う疾患の治療法開発につながると期待されます。

図 3 マイトファジーに必要な Mitofissin によるミトコンドリア分裂マイトファジーが誘導されると、マイトファジー因⼦により⼤きなミトコンドリアに接する形で隔離膜が形成されます。隔離膜は、ミトコンドリアの⼀部を取り込みながら伸⻑し、適切な量のミトコンドリア断⽚を取り込むと、Mitofissin によりミトコンドリアは切断されます。切断されたミトコンドリア断⽚は、オートファゴソームに完全に包まれます。

IV．今後の展開
ミトコンドリアの形態は、ミトコンドリアの機能に⼤きく影響することが知られています。
Mitofissin を利⽤して、⼈⼯的にミトコンドリアの形態を調整することで、疾患や傷害によって損なわれたミトコンドリアの機能を改善することを⽬指しています。また、Mitofissin と同じように、脂質膜に直接作⽤することで、オルガネラのような膜で構成される構造体の形態や機能を制御する分⼦の探索も進めています。
Ⅴ．研究成果の公表
これらの研究成果は、2023 年 5 ⽉ 15 ⽇午前 11 時（⽶国東部時間）、科学誌「Molecular Cell」（IMPACT FACTOR 19.328）のオンライン版に掲載される予定です。
論 ⽂ タ イ ト ル ： The mitochondrial intermembrane space protein mitofissin drives
mitochondrial fission required for mitophagy（ミトコンドリア膜間腔に局在する Mitofissin がマイトファジーに必要なミトコンドリア分裂を駆動する）
著 者 ： Tomoyuki Fukuda# , Kentaro Furukawa #, Tatsuro Maruyama# , Shun-Ichi Yamashita,
Daisuke Noshiro, Chihong Song, Yuta Ogasawara, Kentaro Okuyama, Jahangir Md. Alam,
Manabu Hayatsu, Tetsu Saigusa, Keiichi Inoue, Kazuho Ikeda, Akira Takai, Lin Chen,Vikramjit Lahiri, Yasushi Okada, Shinsuke Shibata, Kazuyoshi Murata, Daniel J. Klionsky,

Nobuo N. Noda*, Tomotake Kanki*（福⽥智⾏ # 、古川健太郎 # 、丸⼭達朗 #、⼭下俊⼀、能代⼤輔、Chihong Song、⼩笠原裕太、奥⼭健太郎、Jahangir Md. Alam、早津学、三枝徹、井上敬⼀、池⽥⼀穂、⾼井啓、Lin Chen、Vikramjit Lahiri、岡⽥康志、芝⽥晋介、村⽥和義、DanielJ. Klionsky、野⽥展⽣*、神吉智丈*）#同等貢献、*責任著者
Doi：10.1016/j.molcel.2023.04.022
VI．本研究への⽀援
本研究は、JSPS 科研費 22H02615、19H05712、18H04858、18H04691、17H03671、15KK0253、21K05500、23H04255、20K06552、19H05707、16H06280、19H05794、22H04926、AMED
JP21gm6110013、JP22bm0704046、JST JPMJCR20E3、JPMJMS2025-14、JPMJCR20E2 、JPMJCR20E5、武⽥科学振興財団、野⽥産研研究助成、NIH GM131919 の⽀援を受けて⾏われました。
●⽤語の説明（１） オートファジー：細胞内で新たに作り出された脂質の膜（隔離膜）が伸⻑し、細胞成分を包み込むように球状の構造（オートファゴソーム）が形成されます。膜に包まれた成分は分解酵素によって低分⼦へと分解されます。この⼀連の反応をオートファジーと呼びます。オートファジーはタンパク質をアミノ酸に分解して栄養として再利⽤するだけでなく、ミトコンドリアや⼩胞体のような細胞⼩器官を分解することで、その質や量を調節しています。細胞⼩器官のような⽐較的⼤きな細胞成分を包み込んで分解するためには、各細胞成分に特異的なメカニズムが必要です。
（２） ダイナミン様タンパク質 Dnm1/Drp1：ミトコンドリアの分裂に必須なタンパク質で、分裂時にミトコンドリアの外側にリング状に集まり、リングが収縮することでミトコンドリアを分裂させます。Dnm1/Drp1 を⽋損した細胞では、ミトコンドリアの分裂ができなくなり、⻑くつながった⼤きなミトコンドリアが細胞内に⾒られるようになります
が、マイトファジーは正常に起こります。
（３） 酵⺟：分裂により増殖する分裂酵⺟、出芽により増殖する出芽酵⺟などがあります。両者とも単細胞⽣物ですが、細胞内の基本的な現象には⾼等⽣物と共通点が多く⾒られ、遺伝⼦操作が簡便に⾏えることから、モデル⽣物として利⽤されています。オートファ
ジーに関与する因⼦の多くは酵⺟で最初に発⾒されています。
（４） In vitro 実験：⽣き物の体内や細胞内の環境を試験管内で⼈⼯的に作り上げ、タンパク質や遺伝⼦の働きなどを解析する実験を意味します。
（５） ⾼速 AFM：⾼速原⼦間⼒顕微鏡（High-Speed Atomic Force Microscope）の略。試料の表⾯を探針でなぞることで表⾯の凹凸情報を計測し、画像化する顕微鏡。タンパク質のような⼩さな分⼦でも観察できます。また、⾼速で画像を取得できるため、⽣体分⼦の反応や構造変化をリアルタイムで観察できます。
（６） 結晶構造解析：三次元的に規則正しく並んだ結晶はＸ線を回折する性質があり、この性質を利⽤して結晶を構成する原⼦が⽴体的にどのように配置されているのかを決定する⼿法です。タンパク質の⽴体構造を明らかにするために広く利⽤されています。

本件に関するお問い合わせ先【研究に関すること】
新潟⼤学⼤学院医⻭学総合研究科・機能制御学分野
教授

神吉智丈（かんきTEL：025-227-2156ともたけ）

E-mail：kanki@med.niigata-u.ac.jp

微⽣物化学研究所

構造⽣物学研究部

上級研究員

達朗（まるやま丸⼭たつろう）

E-mail：maruyamat@bikaken.or.jp
北海道⼤学遺伝⼦病制御研究所・⽣命分⼦機構分野
教授

野⽥展⽣（のだTEL：011-706-5069

のぶお）

E-mail：nn@igm.hokudai.ac.jp

⾃然科学研究機構⽣命創成探究センター
⽣理学研究所特任教授

物質-⽣命境界領域研究グループ／

⽣体分⼦構造研究部⾨村⽥ 和義（むらたTEL：0564-55-7893
理化学研究所かずよし）

E-mail：kazum@nips.ac.jp

⽣命機能科学研究センター

チームリーダー岡⽥康志（おかだ細胞極性統御研究チームやすし）（東京⼤学⼤学院医学系研究科 細胞⽣物学分野 教授）
TEL：050-3502-3665

E-mail：y.okada@riken.jp【広報担当】
新潟⼤学広報事務室
TEL：025-262-7000
微⽣物化学研究所

E-mail：pr-office@adm.niigata-u.ac.jp

知的財産情報部

E-mail：chizaijoho@bikaken.or.jp
北海道⼤学社会共創部広報課
TEL：011-706-2610
⽣命創成探究センター
TEL：0564-59-5203
⽣理学研究所研究戦略室
E-mail: press@excells.orion.ac.jp

研究⼒強化戦略室

TEL：0564-55-7722
理化学研究所E-mail：jp-press@general.hokudai.ac.jp

広報室

TEL：050-3495-0247

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