公募研究班員
A01  応答ゾーン、連携ゾーンの解析

自己分解を統制する葉緑体応答ゾーンとその破綻が生む葉緑体-核連携ゾーンの実体解明

泉正範
東北大学 学際科学フロンティア研究所 新領域創成研究部

研究概要

葉緑体は、植物細胞内で光合成を中心とする代謝反応を担うオルガネラです。極端に言えば、葉緑体の光合成反応が、酸素発生によって現在の地球環境を作り出し、二酸化炭素を炭水化物に変換することで我々の食糧を生産している、とも言えます。 植物の成長ステージや環境ストレスに応じて、植物細胞内で葉緑体が積極的に取り壊される現象が起こることが分かっていましたが、その仕組みは長年未解明でした。私達は、細胞内自己分解システム「オートファジー」が関与することを見出し、そこには、飢餓に応答して葉緑体の一部をちぎって運ぶ「部分分解経路(RCB経路)」と、強い光などのストレスで壊れた葉緑体を選択的に丸ごと除去する「全分解経路(クロロファジー)」の2種が存在することを発見しました(下記総説を参照)。さらに、各経路が駆動する際に、オートファジー関連構造(オートファゴソーム)と葉緑体の一部が、異なる特徴を持つゾーンを形成することを見出しています(図を参照)。「別タイプの葉緑体応答ゾーン形成が2種の自己分解経路の発動を統制している」という仮説に基づき、本研究では、両応答ゾーンの形成因子を明らかにします。さらに私達は、オートファジー機能が破綻すると、葉緑体がチューブ状構造を形成し、それが核との連携ゾーンを形成する可能性を見出しており、そのオルガネラ間連携ゾーンの実体や生理機能を把握することまでを本研究では目指します。

代表的な原著論文

  1. Nakamura, S., Hidema, J., Sakamoto, W., Ishida, H., Izumi, M. (2018) Selective elimination of membrane-damaged chloroplasts via microautophagy, Plant Physiol. 177, 1007-1026.
  2. Hirota, T., Izumi, M., Wada, S., Makino, A., Ishida, H. (2018) Vacuolar protein degradation via autophagy provides substrates to amino acid catabolic pathways as an adaptive response to sugar starvation in Arabidopsis thaliana. Plant Cell Physiol. in press
  3. Izumi, M., Ishida, H., Nakamura, S., and Hidema, J. (2017) Entire photodamaged chloroplasts are transported to the central vacuole by autophagy. Plant Cell 29, 377-394
  4. Izumi, M., Hidema, J., Wada, S., Kondo, E., Kurusu, T., Kuchitsu, K., Makino, A., and Ishida, H. (2015) Establishment of monitoring methods for autophagy in rice reveals autophagic recycling of chloroplasts and root plastids during energy limitation. Plant Physiol. 167, 1307-1320

総説

  1. 中村咲耶,泉正範, (2018) 壊れた葉緑体はオートファジーで丸ごと除去される,植物科学最前線 9, 36-45
  2. Nakamura, S., and Izumi, M. (2018) Regulation of chlorophagy during photoinhibition and senescence: Lessons from mitophagy. Plant Cell Physiol. 59, 1135-1143
  3. Izumi, M., and Nakamura, S. (2018) Chloroplast protein turnover: The influence of extraplastidic processes, including autophagy. Int. J. Mol. Sci. 19, e828
  4. 和田慎也, 泉正範 (2016) 生物情報科学・細胞生物学的手法から見えてきた植物栄養応答 2.イネの窒素リサイクルとオートファジー. 日本土壌肥料学雑誌 87, 388-393
  5. Ishida, H., Izumi, M., Wada, S., and Makino, A. (2014) Roles of autophagy in chloroplast recycling. Biochim. Biophys. Acta. 1837, 512-521