発表のポイント
- ゴルジ体内での遊離亜鉛濃度の分布を高空間分解能で明らかにしました。
- ゴルジ体に局在する3つの亜鉛トランスポーター複合体ZnT4、ZnT5/6、ZnT7に依存したゴルジ体内の厳密な亜鉛濃度制御機構を解明しました。
- 亜鉛結合型シャペロンタンパク質ERp44の機能と細胞内輸送に、3つのZnT複合体が異なる役割を果たすことを発見しました。
概要
亜鉛は必須微量元素であり、全ての生物の成長、健康維持に重要な役割を持ちます。一方、消化酵素やホルモンなど多くの分泌タンパク質は小胞体で合成され、ゴルジ体（注１）を経由して成熟化します。
これまで研究チームは、ゴルジ体でシャペロンタンパク質（注２）ERp44が亜鉛イオンと結合することで分泌タンパク質の品質管理（注３）を行うことを発見しました（参考文献参照）。またいくつかの分泌タンパク質は、ゴルジ体を経由する過程で亜鉛と結合し、成熟することも報告されています。このようにゴルジ体による亜鉛イオン濃度の制御は生理的に非常に重要であることは判明しているものの、その制御機構についてはほとんど未解明でした。
東北大学多元物質科学研究所の天貝佑太助教、渡部聡助教、稲葉謙次教授、小和田俊行助教、水上進教授、大学院生命科学研究科の経塚淳子教授、およびサン・ラファエル研究所（イタリア）のロベルト シティア教授らは、ゴルジ体の亜鉛イオン濃度調節の詳細な分子機構の一端を解明し、そのタンパク質品質管理機構における役割を明らかにしました。研究チームは亜鉛定量プローブZnDA-1Hを用いた濃度計測により、ゴルジ体内に約60~100nMの亜鉛濃度の勾配が存在することを発見しました。また超解像顕微鏡（注４）を用いた観察により、3つの亜鉛トランスポーター（注５）複合体がゴルジ体の異なる層板に局在し、亜鉛濃度、ひいてはERp44の細胞内局在、輸送、機能を調節することを解明しました。
本成果はゴルジ体の亜鉛恒常性維持の破綻が分泌タンパク質の生合成異常、ひいては病態発生のメカニズム解明につながることが期待されます。本研究成果は、2023年5月9日に科学雑誌Nature Communicationsに掲載されました。
これまで研究チームは、ゴルジ体でシャペロンタンパク質（注２）ERp44が亜鉛イオンと結合することで分泌タンパク質の品質管理（注３）を行うことを発見しました（参考文献参照）。またいくつかの分泌タンパク質は、ゴルジ体を経由する過程で亜鉛と結合し、成熟することも報告されています。このようにゴルジ体による亜鉛イオン濃度の制御は生理的に非常に重要であることは判明しているものの、その制御機構についてはほとんど未解明でした。
東北大学多元物質科学研究所の天貝佑太助教、渡部聡助教、稲葉謙次教授、小和田俊行助教、水上進教授、大学院生命科学研究科の経塚淳子教授、およびサン・ラファエル研究所（イタリア）のロベルト シティア教授らは、ゴルジ体の亜鉛イオン濃度調節の詳細な分子機構の一端を解明し、そのタンパク質品質管理機構における役割を明らかにしました。研究チームは亜鉛定量プローブZnDA-1Hを用いた濃度計測により、ゴルジ体内に約60~100nMの亜鉛濃度の勾配が存在することを発見しました。また超解像顕微鏡（注４）を用いた観察により、3つの亜鉛トランスポーター（注５）複合体がゴルジ体の異なる層板に局在し、亜鉛濃度、ひいてはERp44の細胞内局在、輸送、機能を調節することを解明しました。
本成果はゴルジ体の亜鉛恒常性維持の破綻が分泌タンパク質の生合成異常、ひいては病態発生のメカニズム解明につながることが期待されます。本研究成果は、2023年5月9日に科学雑誌Nature Communicationsに掲載されました。
図1. ゴルジ体遊離亜鉛イオン濃度測定 (A) ゴルジ体の各層板に局在する様々なHaloTag融合タンパク質を作製し、ZnDA-1Hをそのゴルジ層板に特異的に局在させ、生細胞亜鉛イメージングを行った。(B)各ゴルジ層板における遊離亜鉛イオン濃度の定量値。
【用語解説】
注1．ゴルジ体
細胞内小器官の一つであり、シス、中間、トランスの層板構造を持つ。小胞体からゴルジ体に輸送されてきた分泌タンパク質は、糖鎖修飾や部位特異的切断、金属イオンの配位などを受ける。ゴルジ体で加工を受けた分泌タンパク質は、トランスゴルジネットワークを介して細胞外や細胞内オルガネラなどの目的区画へと輸送される。
細胞内小器官の一つであり、シス、中間、トランスの層板構造を持つ。小胞体からゴルジ体に輸送されてきた分泌タンパク質は、糖鎖修飾や部位特異的切断、金属イオンの配位などを受ける。ゴルジ体で加工を受けた分泌タンパク質は、トランスゴルジネットワークを介して細胞外や細胞内オルガネラなどの目的区画へと輸送される。
注2．シャペロンタンパク質
タンパク質の折りたたみを促すタンパク質の総称。新規に翻訳合成され天然型立体構造を獲得していないタンパク質は、凝集しやすく細胞毒性を示すが、シャペロンタンパク質が結合することで凝集が抑制され、天然型構造へのフォールディングが促進される。
タンパク質の折りたたみを促すタンパク質の総称。新規に翻訳合成され天然型立体構造を獲得していないタンパク質は、凝集しやすく細胞毒性を示すが、シャペロンタンパク質が結合することで凝集が抑制され、天然型構造へのフォールディングが促進される。
注3．分泌タンパク質の品質管理
分泌タンパク質の多くは、翻訳合成される過程で小胞体中に挿入される。挿入直後は天然型の立体構造を保持していないため、小胞体中の様々なシャペロンタンパク質がその折りたたみを補助する。最終的に天然型の立体構造を獲得した分泌タンパク質分子は目的の区画へと輸送されるが、天然型立体構造を獲得できなかったタンパク質は分解される。
分泌タンパク質の多くは、翻訳合成される過程で小胞体中に挿入される。挿入直後は天然型の立体構造を保持していないため、小胞体中の様々なシャペロンタンパク質がその折りたたみを補助する。最終的に天然型の立体構造を獲得した分泌タンパク質分子は目的の区画へと輸送されるが、天然型立体構造を獲得できなかったタンパク質は分解される。
注4．超解像顕微鏡
通常の光学顕微鏡ではxy方向の空間分解能が230 nm程であり、それを光の回折限界と呼ぶが、その空間分解能を超えた解像度で観察が可能な顕微鏡。本研究ではCarl ZEISS社のAiryscan2超解像顕微鏡を使用した。
通常の光学顕微鏡ではxy方向の空間分解能が230 nm程であり、それを光の回折限界と呼ぶが、その空間分解能を超えた解像度で観察が可能な顕微鏡。本研究ではCarl ZEISS社のAiryscan2超解像顕微鏡を使用した。
注5．亜鉛トランスポーター
生体膜を隔てて亜鉛イオンの輸送を行う膜内在性のタンパク質。細胞外やオルガネラ内腔から細胞質方向へ亜鉛イオンを輸送するZIPファミリー、その反対方向へ輸送するZnTファミリーの2種類が知られる。
生体膜を隔てて亜鉛イオンの輸送を行う膜内在性のタンパク質。細胞外やオルガネラ内腔から細胞質方向へ亜鉛イオンを輸送するZIPファミリー、その反対方向へ輸送するZnTファミリーの2種類が知られる。
【論文情報】
Yuta Amagai, Momo Yamada, Toshiyuki Kowada, Tomomi Watanabe, Yuyin Du, Rong Liu, Satoshi Naramoto, Satoshi Watanabe, Junko Kyozuka, Tiziana Anelli, Tiziana Tempio, Roberto Sitia, Shin Mizukami, *Kenji Inaba.(2023) Zinc homeostasis governed by Golgi-resident ZnT family members regulates ERp44-mediated proteostasis at the ER-Golgi interface. Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-023-38397-6
URL：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38397-6
DOI: 10.1038/s41467-023-38397-6
URL：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38397-6
関連リンク
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東北大学多元物質科学研究所
担当 稲葉 謙次（いなば けんじ）
電話番号： 022-217-5604
Eメール： kenji.inaba.a1(at)tohoku.ac.jp
（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所広報情報室
電話番号： 022-217-5198
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