ER-PMのテザリング分子が膜の曲率を変化させる_その2 (Developmental Cell 2019年11月18日号掲載論文)

結論から言うと、酵母のER-PMテザリング分子：Tcbが、膜の曲率の変化を介して、PMの脂質恒常性を保っていることを示した論文。

本日は「Tricalbin-Mediated Contact Sites Control ER Curvature to Maintain Plasma Membrane Integrity (トリカルビンを介したERと細胞膜の接触部位が、ERの曲率を制御して細胞膜の恒常性を維持する)」という論文で、ドイツ Department of Molecular Structural Biology, Max Planck Institute of Biochemistry の Dr.Rubén Fernández-Busnadiegoらによる研究。*1

昨日の論文と同じ号に掲載されていた相方です。

昨日の記事はこちら：

sudachi.hateblo.jp

興味を持たれた方はabstractもどうぞ。

Membrane contact sites (MCS) between the endoplasmic reticulum (ER) and the plasma membrane (PM) play fundamental roles in all eukaryotic cells. ER-PM MCS are particularly abundant in Saccharomyces cerevisiae, where approximately half of the PM surface is covered by cortical ER (cER). Several proteins, including Ist2, Scs2/22, and Tcb1/2/3 are implicated in cER formation, but the specific roles of these molecules are poorly understood. Here, we use cryo-electron tomography to show that ER-PM tethers are key determinants of cER morphology. Notably, Tcb proteins (tricalbins) form peaks of extreme curvature on the cER membrane facing the PM. Combined modeling and functional assays suggest that Tcb-mediated cER peaks facilitate the transport of lipids between the cER and the PM, which is necessary to maintain PM integrity under heat stress. ER peaks were also present at other MCS, implying that membrane curvature enforcement may be a widespread mechanism to regulate MCS function.

(私訳と勝手な注釈) 

小胞体（ER）と細胞膜（PM）の間の膜接触部位（MCS）は、すべての真核細胞でfundamentalな役割を果たします。 ER-PM MCSは、出芽酵母で特に豊富で、PM表面の約半分が皮質ER（cER）で覆われています。 Ist2、Scs2 / 22、およびTcb1 / 2/3を含むいくつかのタンパク質は、cERの形成に関与していますが、これらの分子の特定の役割はよくわかっていません。ここでは、cryo-electronトモグラフィーを使用して、ER-PMテザリングがcER形態の重要な決定要因であることを示します。 特に、Tcbタンパク質（トリカルビン）は、PMに面するcER膜上に極端な曲率のピークを形成します。 モデリングとfunctionalアッセイを組み合わせることにより、Tcbを介したcERピークがcERとPMの間の脂質の輸送を促進することが示唆されます。 ERピークは他のMCSにも存在し、膜湾曲の亢進がMCS機能を調節するglobalなメカニズムである可能性があることを示唆しています。

*1:https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(19)30865-2

ER-PMのテザリング分子が膜の曲率を変化させる (Developmental Cell 2019年11月18日号掲載論文)

結論から言うと、酵母のER-PMテザリング分子：Tcbが、膜の曲率の変化を介して、PMの脂質恒常性を保っていることを示した論文。

本日は「Tricalbins Contribute to Cellular Lipid Flux and Form Curved ER-PM Contacts that Are Bridged by Rod-Shaped Structures (トリカルビンは細胞内の脂質フラックスを適切に維持し、Rod状構造によって橋渡しされた湾曲したER-PM接触を形成する)」という論文で、イギリス Cell Biology Division, MRC Laboratory of Molecular Biology, Francis Crick Avenue, Cambridgeの Dr.Wanda Kukulskiらによる研究。*1

興味を持たれた方はabstractもどうぞ。

Lipid flow between cellular organelles occurs via membrane contact sites. Extended-synaptotagmins, known as tricalbins in yeast, mediate lipid transfer between the endoplasmic reticulum (ER) and plasma membrane (PM). How these proteins regulate membrane architecture to transport lipids across the aqueous space between bilayers remains unknown. Using correlative microscopy, electron cryo-tomography, and high-throughput genetics, we address the interplay of architecture and function in budding yeast. We find that ER-PM contacts differ in protein composition and membrane morphology, not in intermembrane distance. In situ electron cryo-tomography reveals the molecular organization of tricalbin-mediated contacts, suggesting a structural framework for putative lipid transfer. Genetic analysis uncovers functional overlap with cellular lipid routes, such as maintenance of PM asymmetry. Further redundancies are suggested for individual tricalbin protein domains. We propose a modularity of molecular and structural functions of tricalbins and of their roles within the cellular network of lipid distribution pathways.

(私訳と勝手な注釈) 

細胞内小器官間の脂質の流れは、膜接触部位を介して発生します。酵母ではトリカルビンとして知られるExtendedシナプトタグミン[*酵母ではTricalbins]は、小胞体（ER）と細胞膜（PM）の間の脂質の移動を媒介します。これらのタンパク質が、二重層の間の親水性のcytosolを横切って脂質を輸送するために、どのようにして膜の構造、組成および分布[*英語ではmembrane architecture]を調節しているのかは不明のままです。相関顕微鏡法(恐らくCLEM)、cryoトモグラフィー、およびハイスループット遺伝学を使用して、出芽酵母の構造と機能の相互作用を調査しました。 ER-PM接触部位では、膜間距離ではなく、タンパク質組成と膜形態が異なっていることを明らかしました。in situ electron cryo-トモグラフィ法は、トリカルビンを介したPM-ERコンタクトにおける分子集合[*英語ではmolecular organization]を明らかにし、この結果により、トリカルビンに脂質転移の構造的枠組みが存在することが示唆されました。遺伝子解析により、PM非対称性の維持[*恐らくPMの内膜側と外膜側で脂質の組成がアシンメトリーであることを指している]など、細胞脂質経路との機能的重複が明らかになりました。個々のトリカルビンタンパク質ドメインについては、さらに冗長性が提案されています。トリカルビンの分子的および構造的機能と、脂質分布経路の細胞ネットワーク内での役割が提示されました。

*1:https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(19)30775-0#%20

ERからの持続的なCa漏洩によりCaイオンの波ダイナミクスを切り替える (journal of cellular physiology 2016年8月9日号掲載論文)

結論から言うと、IP3の導入により、持続的にERのCaイオンを欠乏させると、ストア作動性Caイオン流入が常にONになることで、Caシグナリングのオシレーションが消え、持続的なCaシグナルになることを示した論文。

2016年8月9日号のjournal of cellular physiologyに掲載の「Store‐Operated Ca2+ Entry in Oocytes Modulate the Dynamics of IP3‐Dependent Ca2+ Release From Oscillatory to Tonic (卵母細胞におけるストア作動性Ca 2+エントリーは、IP3依存性のCa 2+放出ダイナミクスの様式を、Oscillatoryな* ダイナミクスを、Tonicな* ダイナミクスへと調節する)」という論文で、カタールDepartment of Physiology and Biophysics, Weill Cornell Medical College in Qatarの Dr. Khaled Machacaらによる研究。*1

*Oscillatoryな：振動性のある（変動している感じ）

*Tonicな：持続性のある（ロバストな感じ）

興味を持たれた方はabstractもどうぞ。

Ca²⁺ signaling is ubiquitous and mediates various cellular functions encoded in its spatial, temporal, and amplitude features. Here, we investigate the role of store‐operated Ca²⁺ entry (SOCE) in regulating the temporal dynamics of Ca²⁺ signals in Xenopus oocytes, which can be either oscillatory or tonic. Oscillatory Ca²⁺ release from intracellular stores is typically observed at physiological agonist concentration. When Ca²⁺ release leads to Ca²⁺ store depletion, this triggers the activation of SOCE that translates into a low‐amplitude tonic Ca²⁺ signal. SOCE has also been implicated in fueling Ca²⁺ oscillations when activated at low levels. Here, we show that sustained SOCE activation in the presence of IP₃ to gate IP₃ receptors (IP₃R) results in a pump‐leak steady state across the endoplasmic reticulum (ER) membrane that inhibits Ca²⁺ oscillations and produces a tonic Ca²⁺ signal. Tonic signaling downstream of SOCE activation relies on focal Ca²⁺ entry through SOCE ER‐plasma membrane (PM) junctions, Ca²⁺ uptake into the ER, followed by release through open IP₃Rs at distant sites, a process we refer to as “Ca²⁺ teleporting.” Therefore, sustained SOCE activation in the presence of an IP₃‐dependent “leak” pathway at the ER membrane results in a switch from oscillatory to tonic Ca²⁺ signaling.

(私訳と勝手な注釈) 

Ca 2+シグナル伝達は細胞の中でユビキタスに存在し、その空間的、時間的、および増幅されるという特性により、さまざまな細胞機能を媒介します。この論文では、アフリカツメガエル卵母細胞のCa 2+シグナルの時間的ダイナミクス[*つまり、Oscillatoryなのか、Tonicなのか]を、ストア操作Ca 2+エントリー（SOCE）が制御しているのか調査しました。細胞内貯蔵からのOscillatoryな Ca 2+放出は、通常、生理的アゴニスト濃度[*恐らく、ストアからの放出を促進するIP₃RのアゴニストであるIP₃の濃度のことを指す]で観察されます。 Ca2 +の放出により、ストアのCa2 +が減少すると、SOCEが活性化され、Oscillationレベルの低い持続性Ca2 +シグナルに変換されます。 SOCEは、低レベルで活性化されると、Ca2 +の振動を亢進させるという報告もされています。本論文では、IP3受容体（IP3R）リガンドのIP3の存在下での持続的なSOCE活性化により、小胞体（ER）膜全体でポンプリークの定常状態[*常にERからCaが放出されている状態]が生じ、Ca2 +のOscillationが抑制され、tonicな Ca2 +シグナルが生成されることを示します *2。この状態で動いているCaシグナリングを追うと、ERプラズマ膜（PM）接合部を介した局所的なCa2 +流入(SOCE)による、「ERへのCa2 +取り込み」、その後、SOCEとは離れた場でのIP3Rによる「Ca放出」が起きています。著者らは、このプロセスを “Ca²⁺ teleporting”と名付けました。まとめると、ER膜におけるIP3依存性の「リーク」を誘導した場合、持続的なSOCE活性化により、OscillatoryなCa2 +シグナルからTonicなCa2 +シグナルへの切り替えが起こります。

*1:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jcp.25513

*2:SOCEの分子機構として、ERには、「ER全体のCa濃度低下」を感知した上で、それを一定に保つセンサーが存在する。STIM1という。

リソソームとのコンタクトによるミトコンドリア分裂の制御 (Nature 2018年2月15日号掲載論文)

結論から言うと、リソソームとミトコンドリアが接触しているコンタクサイトを基点として、ミトコンドリアの分裂が誘導されることを示した論文。

2019年1月10日号のCellに掲載の「Mitochondria–lysosome contacts regulate mitochondrial fission via RAB7 GTP hydrolysis (ミトコンドリアとリソソームがコンタクトすることが、RAB7 GTP加水分解を介してミトコンドリアの分裂を調節する)」という論文で、米国Department of Neurology, Northwestern University Feinberg School of Medicine, Chicagoの Dr. Dimitri Kraincらによる研究。*1

興味を持たれた方はabstractもどうぞ。

Both mitochondria and lysosomes are essential for maintaining cellular homeostasis, and dysfunction of both organelles has been observed in multiple diseases^1,2,3,4. Mitochondria are highly dynamic and undergo fission and fusion to maintain a functional mitochondrial network, which drives cellular metabolism⁵. Lysosomes similarly undergo constant dynamic regulation by the RAB7 GTPase¹, which cycles from an active GTP-bound state into an inactive GDP-bound state upon GTP hydrolysis. Here we have identified the formation and regulation of mitochondria–lysosome membrane contact sites using electron microscopy, structured illumination microscopy and high spatial and temporal resolution confocal live cell imaging. Mitochondria–lysosome contacts formed dynamically in healthy untreated cells and were distinct from damaged mitochondria that were targeted into lysosomes for degradation^6,7. Contact formation was promoted by active GTP-bound lysosomal RAB7, and contact untethering was mediated by recruitment of the RAB7 GTPase-activating protein TBC1D15 to mitochondria by FIS1 to drive RAB7 GTP hydrolysis and thereby release contacts. Functionally, lysosomal contacts mark sites of mitochondrial fission, allowing regulation of mitochondrial networks by lysosomes, whereas conversely, mitochondrial contacts regulate lysosomal RAB7 hydrolysis via TBC1D15. Mitochondria–lysosome contacts thus allow bidirectional regulation of mitochondrial and lysosomal dynamics, and may explain the dysfunction observed in both organelles in various human diseases.

(私訳と勝手な注釈) 

。。。

*1:https://www.nature.com/articles/nature25486

細胞外の環境によって誘導されるERストレス応答 (Cell 2019年11月21日オンライン掲載論文)

結論から言うと、細胞外ヒアルロン酸を感知してUPR^ERを誘導する新規ERストレス経路を同定し、鍵となるTMEM2タンパク質の過剰発現が寿命の延伸や病原体抵抗性につながることを示した論文。

2019年1月10日号のCellに掲載の「The Hyaluronidase, TMEM2, Promotes ER Homeostasis and Longevity Independent of the UPR^ER. (ヒアルロニダーゼであるTMEM2は、UPR^ERに依存しないERホメオスタシスと寿命を促進する)」という論文で、米国University of California, BerkeleyのDr. Andrew Dillinらによる研究。*1

 追記：CellからPreview記事（他の研究グループによる解説的なもの？）も出ています。

興味を持たれた方はabstractもどうぞ。

Cells have evolved complex mechanisms to maintain protein homeostasis, such as the UPR^ER, which are strongly associated with several diseases and the aging process. We performed a whole-genome CRISPR-based knockout (KO) screen to identify genes important for cells to survive ER-based protein misfolding stress. We identified the cell-surface hyaluronidase (HAase), Transmembrane Protein 2 (TMEM2), as a potent modulator of ER stress resistance. The breakdown of the glycosaminoglycan, hyaluronan (HA), by TMEM2 within the extracellular matrix (ECM) altered ER stress resistance independent of canonical UPRER pathways but dependent upon the cell-surface receptor, CD44, a putative HA receptor, and the MAPK cell-signaling components, ERK and p38. Last, and most surprisingly, ectopic expression of human TMEM2 in C. elegans protected animals from ER stress and increased both longevity and pathogen resistance independent of canonical UPRER activation but dependent on the ERK ortholog mpk-1 and the p38 ortholog pmk-1.

(私訳と勝手な注釈) 

細胞は、UPR^ER等をはじめとして、タンパク質恒常性を維持するために複雑なメカニズムを進化させてきました。UPR^ERは、いくつかの病気や老化の進行に強く関連しています。本研究では、CRISPRベースのWholeゲノムノックアウト（KO）スクリーニングにより、ERベースのタンパク質ミスフォールディングストレスから生き残るために細胞にとって重要な遺伝子を特定しました。細胞表面ヒアルロニダーゼ（HAase）であるTransmembrane protein 2（TMEM2）を、ERストレス耐性の強力なモジュレーターとして同定しました。TMEM2は、細胞外マトリックス（ECM）に存在するグリコサミノグリカンの一種であるヒアルロン酸（HA）の分解により、canonicalなUPR^ER経路とはindependentに、細胞表面のHA受容体と推定されているCD44および、ERKやp38というMAPKシグナルに依存するERストレス耐性が変化しました。最後に、そして最も驚くべきことに、C. elegansにおけるヒトTMEM2の過剰発現は、個体をERストレスから保護し、canonicalなUPR^ER活性化とは無関係に、ERKオーソログmpk-1および、p38オーソログpmk-1に依存して寿命と病原体耐性の両方を亢進させました。

*1:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867419311687

今週見た中で面白そうな論文（2019年11月第4週）

Science誌
癌シグナルの細胞間伝達：Hippoが亢進してガンになった細胞の周りではガンが抑制されている？？
https://science.sciencemag.org/content/366/6468/1029

タンパクデザインのブレイクスルー
https://science.sciencemag.org/content/366/6468/1024
(→11月23日 追記)
友人がジャーナルクラブしてくれましたので追記です。
低分子感知センサーを、計算機を用いたドライなアプローチから、de novoで設計し、そのデザインがin vitroや大腸菌で動くことを確認。コンピューター上で新規の結合残基モチーフをデザインできたという成果は、これからのタンパク質デザインや合成生物学の分野に大きな影響を与えるだろう。

サルモネラに対するSLC11A1のマグネシウム応答
https://science.sciencemag.org/content/366/6468/995

がん細胞がシナプスを形成する話のperspective
https://science.sciencemag.org/content/366/6468/965.2

なぜ酒を飲まずにいられなくなるのか？神経回路を同定
https://science.sciencemag.org/content/366/6468/947
(→11月23日 追記)
日本語の解説記事が出ていましたので追記です。
アルコール依存症になるマウスは「初めてお酒を飲んだ時」から脳の反応が他のマウスと違うことが判明 - GIGAZINE

Science Advances誌
ショウジョウバエのメスは交尾で受け取るオス精子によって記憶力が上がる
Sex Promotes Lasting Memories in Female Flies | The Scientist Magazine®

Cell誌
リボソームのリボソームタンパク質はrRNAを取り込んで成熟していく過程で、rRNAに対するシャペロンとして働く。cellに2本
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)31212-7
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)31228-0
Preview記事も出ています↓
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)31267-X

細胞外の環境が、細胞内のERストレスを誘導する
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)31168-7#%20
→こちらのERストレスの論文は明日紹介記事を書きます。

PM-ER間における緻密なCaイオン制御 (Nature Communications 2014年4月17日号掲載論文)

結論から言うと、細胞膜と小胞体が形成するCaのやり取りにCaにより活性化されるClイオンチャネル(CaCC)が関与していることを示した論文。

（11月26日追記。このまとめはミスリードな部分が多く、修正中です）

2019年1月10日号のCellに掲載の「Mid-range Ca2+ signalling mediated by functional coupling between store-operated Ca2+ entry and IP3-dependent Ca2+ release. (SOCEによるCa 2+流入とIP 3依存性Ca 2+放出の間の機能的結合により媒介される中域Ca 2+シグナル伝達。)」という論文で、カタールDepartment of Physiology and Biophysics, Weill Cornell Medical College in Qatarの Dr. Khaled Machacaらによる研究。*1

解説本文は書きかけです。。

興味を持たれた方はabstractもどうぞ。

The versatility and universality of Ca2+ signals stem from the breadth of their spatial and temporal dynamics. Spatially, Ca2+ signalling is well studied in the microdomain scale, close to a Ca2+ channel, and at the whole-cell level. However, little is known about how local Ca2+ signals are regulated to specifically activate spatially distant effectors without a global Ca2+ rise. Here we show that an intricate coupling between the inositol 1,4,5 trisphosphate (IP3) receptor, SERCA pump and store-operated Ca2+ entry (SOCE) allows for efficient mid-range Ca2+ signalling. Ca2+ flowing through SOCE is taken up into the ER lumen by the SERCA pump, only to be re-released by IP3Rs to activate distal Ca2+-activated Cl− channels (CaCCs). This CaCC regulation contributes to setting the membrane potential of the cell. Hence functional coupling between SOCE, SERCA and IP3R limits local Ca2+ diffusion and funnels Ca2+ through the ER lumen to activate a spatially separate Ca2+ effector.

(私訳と勝手な注釈) 

Ca2+シグナルの汎用性と普遍性は、その空間的および時間的ダイナミクスの幅に由来します。Ca2+シグナル伝達の空間的な制御は、Ca2+チャネルに近い領域であるミクロドメインのスケールおよび、細胞全体のレベルでよく研究されています。 しかし、局所的なCa2+シグナルがどのように調節されて、「細胞全体的なCa2+の上昇なしに」、空間的に離れたエフェクターを特異的に活性化するかについてはほとんど知られていません。 この論文では、イノシトール1,4,5三リン酸（IP3）受容体[*ER→cytosolにCaを逃がすチャネルとして働く受容体]、SERCAポンプ[*cytosol→ERへのCaイオン汲み上げポンプ]、およびストア作動性Ca2+エントリー（SOCE）間の複雑なカップリングにより、効率的な中域Ca2 +シグナル伝達が可能になることを示します。 SOCEを流れるCa2+は、SERCAポンプによってER内腔に取り込まれ、IP3Rによってのみ再放出され、遠位のCa2+活性化型Cl-チャネル（CaCC）[*Caイオンによって活性化されるClイオンのチャネル]を活性化します。 このCaCC規制は、細胞の膜電位の形成に貢献しています。 したがって、SOCE、SERCA、およびIP3R間の機能的結合は、局所的なCa2+拡散を制限し、ERルーメンを通してCa2+を流すことで、空間的に離れたCa2+エフェクターを活性化します。

*1:https://www.nature.com/articles/ncomms4916