細胞内エネルギ ー 変換部門
本研究部門は研究差の立ち上げから3年1]が経過し研究も軌道に乗り， 細胞生物学の残された課題であるオートフアジー（自食作）［J)の機構とその生理的な意義の解明を目指して研究を進めている。

栄養飢餓ストレス
自然界に生息する生命 1本にとって栄投源をいかに確保す‘
るかは，1|とも凧災であるに違いない。外界には 常に充分な栄養源が保証されている訳ではない。 従って自己をとりま＜棗境の様々な栄投条件を感知し， 内部の活1生を制御し，さらに飢餓条件ドにいかに生存率を維持するための機構を獲得するかは進化」こで，きわめて厘要な選択圧の1つであったに迎いない。 オートファジーはそのような栄投飢餓に対する適応機能の1つであるが， その生理的滋義はさらに多面的であることが］；想されるc

自食作用とは外界の栄投源が枯渇したとき細胞は自己の構成成分を分賭する。 このオ ー トファジ ー (autophagy)と呼ばれる刹II胞応答は， 真核細胞に杵遍的であり， 生理的にも巫要な役割を担っているものと考えられる。 我々のJlf 細胞では， 食事の l街の空jj及時に活発なオ ー トファジ ー が繰り返されている。 神経細胞においてもオートファジーが盛んに進行していることが報告されている。 植物細胞では．iIkl（本の老化した部分を分陪し， 分解産物を新しい紺織へと転流する事が日常的に行われているし， いわゆる老化(senescence)に伴ってきわめて大規梃な自己分解が進行する。酵併細胞は，窒素源の枯渇を引き金として減数分裂過程， すなわち胞子形成を誘導する。 この細胞分化過程には， 既存のタンパク質の大規模な分陪が不可欠である。 オ ー トファジ ー は， 無秩序な分解ではなく，高疫に紺織化された過程であるに違いない。
1955年にde Duveによってリソソ ー ムが発見されて以来，細胞内分解コンパ ー トメントの役割と分解機構は，多くの研究者の典味を駆り立ててきたが． 今日に至ってもその分子レペルでの理解はほとんど進んでいない。 その理由はオートファジ ーを検出する方法がなかったこと．

‘リソ ノ ー ム系を構成するl)岱系が複雑であり． かつダイナミックな動態12を伴うために， fiJ
名析の手がかりが得られなかったことによfi/tによってオートファジーを誘祁していると思われる 。 i
立るものと思われる 。

近我々はフォスファチジルイノシトールキナーゼのホモロ

酵母の自食作用の発見グである Torが栄投源の関知に屯災な役割をにな っている

我々は，酵付細胞か柿々の栄 1
癸飢餓に応答して自己の帝Ilことを見いだした。

胞質成分をリソソームと相同な液胞に送り込み，大規校に自餃作 I
lの木解決の問題の 1
つはオートファジーに伴う分胎すること，その槻構が裔等動物細胞で広く知られてい大規模な 1l
岱動態の機構に関するものである 。 オートファゴ

9岱現象によって I,ヽることるオートファジーと圃様な複雑なlソーム形成は細胞内に新たに閉 じた空間，コンパートメンを見いだした (RIl)。酪母のオートファジーは窒索，炭ぷ，卜を形成する機構であり，これまでに解析されてこなかっリン酸．硫黄源など様々な飢餓によって誘 i
洋される 。 多様た）｝f[現象である(￨啓12)。細胞質の 一部を収り囲む 二重lj
岱のな飢餓条件による対応したシグナル（云送系を想定するより構造（本．オートフ ァゴソ ームがどのように形成されるのか。

も細胞が外界の栄投飢餓を関知し，共通のシグナル（云逹機オートファゴソームがいかにして液胞／リソノームと特異レプリカ像
図1．飢餓条件下の液胞蛋 白分解酵崇欠捐株のフリ ース＇（上）液胞内に細胞臼の一部を囲んだ球形の膜構造．自食体が多数菩積する 。
（右）細胞臼に形成された二重膜構造．オートファコソームはその外膜で液胞膜と融合し液胞内に自食体（オートファジックポティ）を放出する ，ォートファゴソームの膜は．内膜にほとんど膜内粒子が認められない特異な構造をしていることが判る 。
Isolationmemllrunc（／三'.
J,ER?..

AIItophug9)
S(9191C＼＼ ン／

Lysosome

Enclosingo屯 anellesandcy1osol> •(;-一-—
D.lgcヽtin~―グlhccunt~nls＼I》ÌIIPIwmanc
cor
ran●aninnrrmじmhl
油 Ion

図2. 自食作用の膜動態の摸式図．栄妥飢餓シグナルの伝達．オートファゴソームの形成．リソソームとの忌合など．まだ分子レペルではまった＜未解決の課罰である 。

13

的に融合するのか，オ ート リソソーム内でなぜオートファの追伝子硝物の構造と機能を明らかにすることによってオジックポディ 膜が容易に分解されるのか，自食作用がどのートフ ァジーが分子レベルで理解できると期待している 。

ように制御されているのかなど，典味深い課題が未解決の

オ ー ト フ ァ ジ ー に 必 須 な 新 しい タ ン パ ク 質 結 合 反 応系の発見まま残されている 。

昨 年 Apgpの内4つ の タ ン パ ク 質 が 新 し い タ ン パ ク 質 の 結

オー トファジーに関与する遺伝子群
酵母はこれまで細胞周期や分泌などの複雑な過程を分子合 反 応 に 関 与 し て い る こ と が 明 ら か と な っ た 。 Apgl2pはレベルで理解する上で先導的な役割を担ってきた。それは186アミ ノ 酸 か ら な る 親 水 性 の タ ン パ ク 質 で あ る が ． こ の遺伝子学的な手法と分子生物学的な手法によって，それらタンパク質は Cー 末 端 の グ リ シ ン 残 基 を 介 し て Apg5pの中の素過程に関与する分子を明らかにすることができたから央にあるリジン残基の側鎖にイソペプチド結合を形成すに他 な ら な い 。我々はオートファジーに関わる分子機構をる。 こ の 結 合 体 の 生 成 は 自 食 作 用 の 進 行 に 必 須 で あ る 。

解明することを目的としてこの分野にはじめて遺伝子学的Apgl2pは ユ ピ キ チ ン と 相 同 性 は な い が ， そ の 反 応 は ユ ビな手法を祁入した。形態学的な指椋に基づき分離されたオキチン経路と類似の反応からなっており， Apg7p,ApglOpートファジー不能変異 (apg) が 多 数 分 離 さ れ た 。これらはその Ap
gl2pの 活 性 化 と 結 合 反 応 に 関 与 し て い る （ 図3)。の株はいずれも飢餓条件下にタンパク分解を誘祁できず，この 全く新しいタンパク質結合反応系はヒトに至るまで頁

飢餓条件下に生存率を維持できない。これらの形質の相補核生物に広く保存されている 。 現 在 この結合体の形成が自を指標として，現在までにオートファジーに閾わる 14個の食作用のどのステップで機能しているかに関して鮮析が進

遺 伝 子 を 同 定 し た 。 こ れ ら の 自 食 作 用 辿 伝 子APG
群はそのんでいる 。

ほとんどが未知の遺伝子であった。現在これらの逍伝子 韮

自食作用の更なる理解を目指して物 (Apgp) の 系 統 的 な 解 析 が 進 み ． オ ー ト フ ァ ジ ー に お

細胞内分解コンパートメントにおける分解機構は ， 我 々ける個々のタンパク質の機能が明らかになりつつある 。 現が 解 析 を 進 め て い る 非 選 択 的 で バ ル ク な 分 解のみならず選在これらの遺伝子問相互作用，遺伝子産物の同定．発現調

択的な酵索やオルガネラの除去機構も存在することが近年

節，物理的相互作用さらに細胞内局在などについて解析を明らかになってきた。その機構としてオートファゴソーム進めつつあり．ネットワークが構築されつつある 。 これら形 成 がI
VJ与するマクロオートファジーとリソソーム ／ 液 胞C

三G ~→ 「ゴ函p言GI?

三G~pC)→ 三〕•

k︑
J三 ？

ATPAMP+PPi

四 1
C
さ〗GG -ニミ<し （―-るATPAMP+PPi

図3. Apg12pシステムとユピキチンシステム

Apg12pのCー末端グリシン残碁は， Apg7pによ って ATP依存的に活性化され．Apg7p.Apg10pのシステイン残基にチオエステ ル結合を形成した後． Apg5pの149番目のリジン残基とイソペプチド結合する 。この結合シス テムはオートファジ ーに必須である 。
一連の反応は． ユビ キチンが El,E2. E3を介して標的タンバク質に結合するのとよく似ている 。

14膜の陥入によるミクロオ ー トファジーも存在するらしい。
液胞酵索アミノペプチタ ー ゼIの液胞内移行に自食作）ll追伝子群が必須であることが最近明らかとなった。 非選択(lりな分解と液胞酵索の生合成経路が共通の分子装悩を利Illしている点は極めて典味深し ‘o
我々は自食作川を追伝学， 生化学， 細胞生物学， 分寸'•生物学， 形態学などを駆使して総合的に解明することを目指している。 細胞内の）I先助態を担う基本的な分子装i代は， 酪母からヒトに到るまで糊くほど進化の過程で保存されている。 実際 APG遺伝子の中には翡等動植物生物にも明らかに相同逍伝子が存在することがゲノム解析の進展とともに明らかになって来た。 酵号で得られた新しい知見は，,•,':j｀序動
植物細胞のオ ー トファジ ー 機構の解明にも有力な手がかりを与えるに辿いない。 細胞にとって璽要な細胞内分解のメカニズムは単 ー な経路によっているとは考えられず，,i:i等
兵核生物に固有の椴構や多細胞系に特有の制御系が存在するものと息われる。 酵母をモデル系としつつ． ］：j等動植物の示す栄1癸飢餓応答 ． 細胞分化における細胞の再構築， ア
ポト ー シス， 老化などの過程での自食作用の役割を明らかにすることを目様に解析を進めている。

参考文献

1. Tak 心higc. K.. Baba. !\!.. Tsuboi. S.. Noda. T.. and Ohsumi. Y.. (199�)Au tophagy in yeaヽI demonヽ1ra1cd wi1h prmcinase-dcficicnt mutamヽ：Indit� condi1ion, for intluction. J. Cd/ Biol. 119. 301-311
2. Tヽukada. M.. :md Ohsumi . Y. (1993) Isolation and charac1criza1io『1 1)1autophagy-dcfcclivc rnu1an1s in Sacc/111romyccs ccrc,·isi;』C. FE[3S LCII.
333, 169-174
3. Baba. M.. Takcshigc. K.. Baba 、 N.. and Ohsumi. Y.. ()994)
Ul1ras1ructural :malysiヽof the. autophagic process in yeast: Detection ul'autophagosomcs and their characterization. (1994) J, Cell Biol. U,1.
903-913,I, Baba. /vi., Ohsumi, M. Sco11. S. V.. Klionsky. D. J. and Ohヽumi. Y. TwodiSIillC1 (lathways l•(）r largcling pr(） 1cinヽ「rom the cytoplasm to lhc
v:,cuolc/lyso．ヽomc. /. Cell Biol. 139. 1687-1695 (1997)
5. Noda. T. and Ohsumi. Y. Tor. a phospha1iylinositol kinase honwlouguc.
co111rols au1ophagy in yeast. J. Biol. Chcm. 273. 3963-3966 (1998)
6. Mizushima. N., Noda. T.. Yoshimori. T.、Tanaka. T Ishii. T,, Gcrgc. M,
D. K l ionヽky. D. J.. Ohsumi. M.. and Ohsumi. Y. A nove l protein
conjuga1ion syヽ1cm csゞcntial for autophugy. i 1;』 wrc. 395. 395-398(1998)．雫、15