核オートファジーの定量的超微細構造タイムラインは、核膜におけるダイナミン様タンパク質1の役割を明らかにする

細胞生物学 生命科学
核オートファジー ダイナミン様タンパク質1 核膜 超微細構造 酵母 膜分裂 細胞恒常性

背景紹介

核膜（Nuclear Envelope, NE）は細胞核と細胞質の間の重要なバリアであり、核内環境の安定を維持する役割を担っています。核膜の完全性は細胞の正常な機能にとって重要であり、その破壊は老化やさまざまな疾患と密接に関連しています。オートファジー（Autophagy）は、細胞内で損傷した物質や余剰物質を分解・リサイクルする重要なメカニズムであり、核オートファジー（Nucleophagy）もその一部です。核オートファジーとは、細胞核や核膜成分がオートファジー経路を介して分解されるプロセスを指します。しかし、核オートファジーの具体的なメカニズム、特に核膜のリモデリングにおける分子および超微細構造プロセスはまだ解明されていません。

近年の研究では、核オートファジーが核膜の恒常性維持に重要な役割を果たすことが示されていますが、その分子メカニズムや動的プロセスは完全には明らかになっていません。特に、核膜の内膜（Inner Nuclear Membrane, INM）と外膜（Outer Nuclear Membrane, ONM）がどのようにしてオートファジー経路を介して選択的に除去され、核膜の完全性を保つのかは未解決の謎です。この問題を解決するため、研究者たちは先進的な顕微鏡技術と分子生物学的手法を用いて、核オートファジーの定量的なタイムラインとその鍵となる分子メカニズムを解明しようと試みました。

論文の出典

この論文は、イェール大学医学部細胞生物学科のPhilip J. Mannino、Andrew Perun、Ivan V. Surovtsevらによる研究チームによって執筆され、2025年3月に『Nature Cell Biology』誌に掲載されました。研究チームは、4次元格子光シート顕微鏡（4D Lattice Light Sheet Microscopy）と相関光電子断層撮影技術（Correlative Light and Electron Tomography, CLEM）を活用し、酵母細胞における核オートファジーの超微細構造タイムラインを初めて定量的に記述し、Dynamin様タンパク質1（Dnm1）が核膜リモデリングにおいて非古典的な役割を果たすことを明らかにしました。

研究のプロセスと結果

1. 核オートファジーのタイムライン構築

研究チームはまず、核オートファジー受容体Atg39を蛍光標識し、4次元格子光シート顕微鏡を用いて核オートファジーの動的プロセスをリアルタイムで観察しました。その結果、核オートファジーの開始はAtg39が核膜上に急速に蓄積することから始まり、プロセス全体は約300秒で完了し、最終的にAtg39とその「カーゴ」が液胞（Vacuole）に運ばれて分解されることがわかりました。

核オートファジーの超微細構造の詳細をさらに明らかにするため、研究者たちはCLEM技術を組み合わせ、核オートファジー過程における核膜の形態変化を観察しました。その結果、核オートファジーには少なくとも2つの連続した膜分裂ステップが含まれることが明らかになりました。まず、INMが分裂し、核周腔（Perinuclear Space）にINM由来の小胞（INM-derived Vesicle, INMDV）が形成されます。次に、ONMが分裂し、二重膜小胞が細胞質に放出されます。注目すべきは、ONMの分裂はファゴフォア（Phagophore）の関与を必要とせず、代わりにDnm1の活性に依存していることです。

2. Dnm1の核オートファジーにおける鍵となる役割

Dnm1が核オートファジーにおいて果たす役割を検証するため、研究者たちはDnm1を欠損した酵母株を構築し、Atg39の動的変化を観察しました。その結果、Dnm1の欠損により核オートファジーのフラックスが著しく低下し、特にINM分裂後に核オートファジーが「停滞」し、進行できなくなることがわかりました。さらに、蛍光顕微鏡とCLEM分析により、Dnm1の欠損によりINMDVが核周腔内に蓄積し、ONM分裂を介して細胞質に放出されないことが確認されました。

また、研究者たちは、Dnm1のリクルートがオートファジースキャフォールドタンパク質Atg11に依存していることを発見しました。二分子蛍光補完実験（Bimolecular Fluorescence Complementation, BiFC）を通じて、Atg11とDnm1の間の直接的な相互作用を確認し、Dnm1が核オートファジーにおいて鍵となる役割を果たすことをさらに支持しました。

3. 核オートファジーの分子メカニズム

上記の結果に基づき、研究者たちは核オートファジーの分子メカニズムモデルを提案しました。それによると、Atg39はまず核膜上に蓄積し、そのC末端の両親媒性ヘリックスを介してINMに結合し、INMDVを形成します。その後、Atg11がDnm1を核膜上にリクルートし、ONMの分裂を触媒し、二重膜小胞を細胞質に放出します。このプロセスにより、核膜成分が選択的に除去され、核膜の完全性が維持されます。

結論と意義

この研究は、核オートファジーの超微細構造タイムラインを初めて定量的に記述し、Dnm1が核膜リモデリングにおいて非古典的な役割を果たすことを明らかにしました。研究結果は、核オートファジーが2つの連続した膜分裂ステップを介して核膜成分を選択的に除去し、核膜の破壊を防ぐことを示しています。この発見は、核オートファジーの分子メカニズムに関する我々の理解を深めるだけでなく、老化や核膜関連疾患の研究に新たな視点を提供します。

研究のハイライト

  1. 定量的タイムライン：4次元格子光シート顕微鏡とCLEM技術を用いて、核オートファジーの超微細構造タイムラインを初めて定量的に記述しました。
  2. Dnm1の非古典的な役割：Dnm1が核膜リモデリングにおいて鍵となる役割を果たすことを明らかにし、細胞生物学におけるその機能範囲を拡大しました。
  3. 分子メカニズムモデル：核オートファジーの分子メカニズムモデルを提案し、Atg39、Atg11、Dnm1が核オートファジーにおいてどのように協調して働くかを明らかにしました。

応用価値

この研究は、科学的に重要な価値を持つだけでなく、核膜関連疾患の治療における潜在的なターゲットを提供します。例えば、Dnm1の活性を調節することで、老化を遅らせたり、核膜機能障害に関連する疾患を治療したりする可能性があります。さらに、研究で使用された高解像度顕微鏡技術と分子生物学的手法は、他の細胞生物学研究においても新たなツールと視点を提供します。

この研究は、核オートファジーの分子メカニズムと核膜リモデリングプロセスに関する重要な知見を提供し、幅広い応用の可能性を秘めています。