研究内容

細胞生物学領域

www.nibb.ac.jp/enehen/

分子細胞生物学研究部門
オートファジーに関与する ATG 遺伝子群
酵母は遺伝学的な手法に優れ，細胞内の複雑な現象を分子レベルで理解する上で先導的な役割を果たしてきた。我々はオートファジーの分子機構を解明するため，酵母のオートファジー不能変異株（apg 変異株）を分離し，それをもと然界において，生命体は常に栄養の枯渇の危険性に晒に，オートファジーに関わる 16 個の APG 遺伝子を同定しされており，飢餓環境下にいかに生き延びるかは，極た。最近これらオートファジー関連遺伝子を ATG と呼ぶこめて重要な問題である。オートファジー（Autophagy）はとが国際的に合意された。これらの遺伝子産物の解析を進め

自そのような栄養飢餓に対する適応機構の１つであり，広く真た結果，Atg タンパク質が４つの機能群を形成していること核生物に保存されている。生物は外界の栄養源の飢餓を関知が明らかとなった。これらはユビキチン様のタンパク質修飾

すると，自己細胞の細胞質の構成成分やオルガネラをリソシステム（後述），タンパクキナーゼ複合体，ホスファチジソーム / 液胞内で分解し，その分解産物をリサイクルして飢ルイノシトール３リン酸 (PI3) キナーゼ複合体からなり，全餓耐性の細胞の再構築に用いる。細胞内のタンパク質は常にての反応系が正常に作動することがオートファジーの進行に合成と分解のバランスの上に成り立っており，バルクのタン必須である。しかし，それぞれの反応系がいかに時間的空間パク質分解を担うオートファジーの生理的な役割は生命活的に制御され，オートファゴソーム形成過程で働いているの動の様々な局面に重要な働きをしていることが近年明らかとかは未だほとんど分かっていない。我々は Atg タンパク質のなっている。例えば我々の肝細胞では，空腹時に活発なオー細胞内局在を系統的に調べ，多くの Atg タンパク質が Pre-トファジーが誘導され，血糖値の維持が図られている。酵母

autophagosomal structure (PAS) と呼ばれる液胞近傍の構造

細胞では，窒素源の枯渇を引き金として胞子形成が誘導され体に集積していることを明らかにしてきた。現在，PAS 形るが，このように細胞分化には既存のタンパク質のオート成における Atg タンパク質間の機能ネットワークを明らかにファジーによる大規模な分解が不可欠である。
細菌感染，様々すべく，局在解析，遺伝的・物理的相互作用，Atg タンパクな病態との関係も注目を集めている。我々の研究室はオート質の構造機能相関に焦点を当てた研究を進めている。オートファジーの分子機構解明を目指して様々な手法を駆使して研ファジーに必須なタンパク質キナーゼ Atg1 の制御機構，オー究を進めている。

トファジーの膜動態に関わる PI3 キナーゼに関しても詳細な解析を進めている。

モデル細胞，酵母のオートファジー

オートファジーに必須なユビキチン様タンパク質

酵母細胞は栄養飢餓に応答してオートファジーを誘導す

我 々 は ４ つ の Atg タ ン パ ク 質 が 新 し い タ ン パ ク 質 の 結る。酵母のオートファジーは窒素（アミノ酸），炭素，イオウ，合反応に関与していることを見出した。Atg12 タンパク質リン酸など様々な飢餓によって誘導される。

(Atg12p) は C 末 端 の Gly 残 基 を 介 し て Atg5p の 中 央 に あ

オートファジーをめぐる最大の課題はオートファジーに伴る Lys 残基の側鎖とイソペプチド結合を形成する。この結う膜動態の解明である。オートファジーの膜動態は従来解析

合体の生成はオートファジーの進行に必須である。Atg12pが進んできた小胞輸送系とは明らかに異なっており，細胞内の結合反応はユビキチン経路と類似の反応からなっており，に新たなコンパートメント，オートファゴソームを形成する

Atg7p，Atg10p はその Atg12p の活性化（E1 酵素）と結合過程が誘導される。細胞質の一部を取り囲む二重膜のオート反応（E2 酵素）に関与している（図 1）。構造解析の結果，ファゴソーム膜が何に由来し，どのように形態形成されるのAtg12p が実際にユビキチン様タンパク質であることが明らか，いかにして液胞／リソソームと特異的に融合するのか，かとなった。構造情報をもとに，さらに詳細な機能解析が進

オートリソソーム内でなぜオートファジックボディ膜が容易みつつある。第２のユビキチン様タンパク質 Atg8p は，プロに分解されるのか，オートファジーの進行がどのように制御

テアーゼ Atg4p によって C 末端 Arg が切断された後 Atg7pされているのかなど，興味深い課題が数多く残されており，によって活性化を受け，特異的 E2 酵素 Atg3p に結合した後，常に挑戦が求められている。

最終的にリン脂質ホスファチジルエタノールアミンに結合する（図 1）。これら２つの新しいユビキチン様反応系は真核生物に広く保存されている。現在 2 つの系の相互関係，結合体形成の意味を in vitro 再構築系を用いて解析を進めている。

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基礎生物学研究所 要覧 2006

に必須であり，オートファゴソームの前構造である隔離膜の伸長に関わっていることを見いだした。さらに Atg5-GFPの実時間観察により，生細胞の中でオートファゴソームが形成される過程の可視化にも成功した。
一方，植物の生活環において，液胞での分解は重要な役割を果たしていることが予想され，実際 ATG 遺伝子を欠損したシロイヌナズナは，飢餓応答に異常をきたし，枯死の進行が促進される。さらに，植物においても GFP-Atg8p によりオートファジーを可視化する系を確立し，植物個体においてもオートファジーの生理的意義が解明されつつある（図 2）。

図 2．atatg 変異株はオートファジー能を欠損している

図 1．Atg タンパク質の機能野生株（A）と atatg4a4b-1 変異株（B）の根にコンカナマイシンA を処理した。野生株の液胞の中にはミトコンドリアやゴルジ体や小胞体といったオルガネラに加え，細胞質を含むオートファジックボオートファゴソーム形成に関わる１６個の Atg タンパク質群は相互作用をする４つの機能単位からなっている。

ディが多数観察されるが，atatg4a4b-1 変異株では観察されない。
バーは 10µm。

参考文献
1. Takeshige, K., Baba, M., Tsuboi, S., Noda, T., and Ohsumi, Y. (1992).
Autophagy in yeast demonstrated with proteinase-deﬁcient mutants
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M. D., Klionsky, D. J., Ohsumi, M., and Ohsumi, Y. (1998). A novel
protein conjugation system essential for autophagy. Nature 395 ,395-398.
3. Ichimura, Y., Kirisako, T., Takao, T., Satomi, Y., Shimonishi, Y.,Ishihara, N., Mizushima, N., Tanida, I., Kiminami, E., Noda, T.,and Ohsumi, Y. (2000). Ubiquitination-like system mediates novel
protein lipidation, Nature 408 , 488-492.
4. Mizushima, N., Yamamoto, A., Hatano, M., Kobayashi, Y., Kabeya,Y., Suzuki, K., Tokuhisa, T., Ohsumi, Y., and Yoshimori, T. (2001).
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5. Yoshimoto, K., Hanaoka, H., Sato, S., Kato, T., Tabata, S., Noda,T., and Ohsumi, Y. (2004). Processing of ATG8s, ubiquitin-likeproteins, and their deconjugatioin by ATG4s are essential for plant
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酵母におけるオートファジーの生理機能
オートファジーがいかなる生理機能を果たしているかについても，分解基質の選択性の問題，ミトコンドリアの分解への関わり，飢餓下の細胞死などについて検討を開始した。

多細胞系のオートファジー
オートファジーは多細胞生物ではさらに多面的な生理的意義をもつとの予想のもとに，我々は酵母で得られた知見を，高等動植物へと発展させた研究も行っている．酵母で同定された ATG 遺伝子の多くは，高等動植物にもホモログが存在する。哺乳動物の Atg8 ホモログである LC3 は，動物細胞オートファゴソームの初めての指標タンパク質として多くの解析に用いられている。また，我々は Atg5 ノックアウト ES 細胞を構築し，Atg12 結合系が哺乳動物でもオートファジー

STAFF

技術課技術職員

壁谷大隅教良典授

鎌田助

芳彰
手

鈴木助

邦律
手

中戸川助

手

仁

小原圭介

研究員

幸子

原島
川俣

俊明
朋子

博士研究員

特別協力研究員

奥公秀
山本林
関藤 孝之
吉本 光希
花田 孝雄
藤木 友紀
大根田 守

馬場

美鈴

総合研究大学院大学院生

陰山
大岡

技術支援員

市川
近藤

理恵
千香

事務支援員

附柴
原久美
洋子

卓哉
杏子

基礎生物学研究所

要覧 2006

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