基礎生物学研究所の及川和聡元研究員、近藤真紀技術職員、木森義隆元特任助教（現福井工業大学）、真野昌二准教授、西村幹夫名誉教授（元甲南大学研究員）、ヤギェウォ大学の後藤志野研究員、山田健志研究室長、本学理学部の林八寿子准教授、加藤朗准教授、甲南大学の上田晴子准教授、西村いくこ名誉教授らを中心とした国際共同研究チームは、岩手大学の高橋大輔研究員・上村松生教授、東京工業大学の大隅良典栄誉教授、京都大学の沼田圭司教授らと共同で、オートファジー^※が、活性酸素種（ROS）^※の蓄積したペルオキシソーム^※を優先的に分解することで、強光下で生じる植物細胞への傷害を軽減し、植物の生存に寄与していることを発見しました。また、オートファジーに関わるタンパク質ATG18が、分解されるペルオキシソームを特異的に標識することを示しました。さらに、分解されるペルオキシソームがオートファゴソーム膜に囲まれ液胞に輸送されるマクロペキソファジー^※に加え、液胞膜で覆われ、液胞内部に輸送されるミクロペキソファジー^※が誘導される可能性を示しました。この様子は単離液胞を用いた解析により明確に確認されました。
上記の成果は、光条件下におけるオートファジー変異体の生理解析と、共焦点顕微鏡と電子顕微鏡を用いたイメージング解析、そして生化学的手法を活用し、それらを統合して解析することで、植物におけるペキソファジー^※の重要な役割を明らかにすることに成功しました。
本研究成果は、国際科学誌「Nature Communications」に2022年12月5日付で掲載されました。

本研究のポイント

• 植物の強光下におけるペキソファジーの役割やペルオキシソームの分解機構はよくわかっていませんでした。
• オートファジー因子ATG18aにGFPを融合させた遺伝子（ATG18a-GFP）をオートファジー変異体で発現させたところ、未分解のペルオキシソームが優先的に標的化されました。
• 強光下で植物の生育解析を行うと、atg2、atg7変異体では、活性酸素種（ROS）の蓄積を伴った葉の傷害（クロロフィルの分解）と葉肉細胞において多数のペルオキシソームによる巨大な凝集体の形成が観察されました。また、ペルオキシソームタンパク質のカタラーゼが不溶性画分に多く蓄積することが確認されました。このペルオキシソームの凝集体にはATG18a-GFPの集積が確認されました。
• 液胞膜タンパク質Vam3と蛍光タンパク質Venusとの融合遺伝子（Venus-Vam3）で液胞を可視化すると、変異体ではペルオキシソームの凝集体を取り囲む構造体が、野生株では液胞内へ移行するペルオキシソームが観察されました。単離液胞での解析においても同様な現象がより鮮明に確認されました。
• カタラーゼやATG18aを過剰に発現させると、強光下での植物の傷害やROS蓄積を抑制しました。

【用語解説】

※オートファジー：オートファジーは細胞内部の自己成分を植物や酵母では液胞、動物ではリソソームで分解し再利用するシステム。ROSを蓄積したオルガネラや傷害を受けたオルガネラの選択的な分解も行う。

※活性酸素種（Reactive oxygen species、ROS）：主に細胞内の代謝過程で生じる反応性（酸化力）の高い酸素種。スーパーオキシド、過酸化水素、ヒドロキシラジカル、一重項酸素等がある。DNA、タンパク質、細胞膜（脂質）等と反応し、オルガネラ等に損傷を与え、細胞機能に影響を与える。

※ペルオキシソーム：直径1マイクロメートルほどの単膜系の細胞内小器官（オルガネラ）。植物では、脂肪性種子の発芽時における脂肪酸の分解や植物ホルモンの合成、緑葉での光呼吸など多くの代謝を担う。内部に、過酸化水素を分解するカタラーゼをもつ。

※ペキソファジー：ペキソファジーは、オートファジーによる選択的オルガネラ分解機構の1つで、傷害を受けたペルオキシソームを特異的に分解する。

※マクロペキソファジーとミクロペキソファジー：両者は性質の異なるペキソファジーの機構である。マクロペキソファジーは、細胞質中において、分解されるペルオキシソームをペキソファゴソーム膜で包み込み隔離し、液胞まで輸送したのち、液胞内部に取り込み分解する。ミクロペクソファジーは、分解されるペルオキシソームを液胞膜がオートファジー因子と協調して直接的に包み込み液胞内部に取り込み分解する。

研究内容の詳細

ペキソファジーは、植物の強光ストレスを軽減する（PDF:0.9MB）

論文情報

【掲載誌】Nature Communications
【論文タイトル】Pexophagy suppresses ROS-induced damage in leaf cells under high-intensity light
【著者】Kazusato Oikawa, Shino Goto-Yamada, Yasuko Hayashi, Daisuke Takahashi, Yoshitaka Kimori, Michitaro Shibata, Kohki Yoshimoto, Atsushi Takemiya, Maki Kondo, Kazumi Hikino, Akira Kato, Keisuke Shimoda, Haruko Ueda, Matsuo Uemura, Keiji Numata, Yoshinori Ohsumi, Ikuko Hara-Nishimura, Shoji Mano, Kenji Yamada and Mikio Nishimura
【doi】10.1038/s41467-022-35138-z

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