中野生体膜研究室

研究概要

真核生物の細胞内は、緻密に分化した膜系（細胞小器官−オルガネラ）で満たされ、その多くがダイナミックな膜の流れ（膜交通）によって結ばれている。その膜交通を担うのが小胞輸送である。膜交通は、方向性をもった分泌やエンドサイトーシスによって細胞極性の形成と維持に、さらには組織・器官形成に働き、また液胞の形成と維持を通じて細胞内の恒常性維持や環境応答に働いている。当研究室では、膜交通における選別輸送の分子機構を解明し、さらに多細胞系における様々な高次機能における膜交通の意義を明らかにすることを目指している。 分子機構の精細な解析には、分子細胞生物学的手法を自由自在に駆使できる出芽酵母を主な実験材料とし、多細胞系への展開としては、主にモデル植物シロイヌナズナを用いた研究を推進する。方法論としては、遺伝学、生化学、細胞生物学（特にライブイメージング）の様々な技法を駆使し、多角的なアプローチによって膜交通の分子機構とその意義の理解を深めていくことを目指す。最近では、超高感度高速共焦点顕微鏡を開発し、ライブイメージングによってゴルジ体の中をどのようにタンパク質が輸送されていくかについての世界的な論争に決着をつけた。

最近の研究成果

ゴルジ体の論争は果てしなく続く？

図1 ライブイメージングによって明らかにした、ゴルジ体内の積荷タンパク質輸送機構

シス槽からトランス槽へと区画がダイナミックに成熟する。

ゴルジ体は、タンパク質の修飾、仕分け、配送を行う重要な細胞小器官である。一般的に扁平な膜区画（槽）が積み重なった構造をとり、新たに合成された分泌タンパク質（積荷）が入ってくるシス側から、完成した積荷が出ていくトランス側へ、という明確な極性をもっている。この槽の間を積荷タンパク質がどのように移動していくかについて、世界中の研究者を二分した大論争が続いていた。我々は、横河電機、NHK、日立国際電気などとの共同研究で、超高感度高速共焦点顕微撮像システムの開発研究を進め、驚異的な空間分解能をもつライブイメージング顕微鏡の開発に成功した。この装置を用い、ゴルジ体の槽が膜のダイナミックな混合と分離を繰り返し、次第に全体の性質を変えながら（槽成熟）内部の積荷タンパク質を移動させていくという、新しいメカニズムが働いていることを世界で初めて明らかにした（図１）。これで一旦は決着がついたかに見えたゴルジ体の論争であるが、実際の積荷の動きが槽成熟で想定される移動のキネティクスで説明できないという新しい実験事実が報告され、それに基づく新しいモデルが提唱されたりして、またいくつもの論争が再燃し始めていた。ゴルジ体に関する研究分野において、研究者は不毛な論争ばかりを続けているのではという穿った見方も出始め、事態の解決を図ろうと、世界第一線のゴルジ体研究者13名が、2009年6月にスペイン、バルセロナに集まった（図２）。３日間にわたる非公開の会議で、激論も交わしながら、現在我々が手にしている全ての情報から、何が言えて何が言えないのか、また、まだわからない問題を解決するには何が必要なのかについて、真摯かつ建設的な討論を行った。その討論の詳細をJ. Cell Biol.に発表したが、にっこり笑ったゴルジ体の写真（図３）が、参加者の気持ちをよく表している。当研究室では、ここでの問題提起に基づき、槽間を動く積荷タンパク質自身の可視化、また多種類の蛍光タンパク質を高速かつ高い空間分解能で観察できるシステムの開発を現在進めている。

図2 ゴルジ体コンセンサス会議に参加した13名

左よりS. Emr, C. Rabouille, A. Luini, B. Glick, B. Marsh, J. Lippincott-Schwartz, F. Wieland, G. Warren, S. Pfeffer, J. Rothman, A. Nakano, A. Linstedt, V. Malhotra.

図3 ゴルジ体研究の未来は明るい？

文献

Y. Suda, A. Nakano, The yeast Golgi apparatus, Traffic, 2012, in press.

A. Nakano, A. Luini, Passage through the Golgi, Curr. Opin. Cell Biol. 2011, 22, 471.

B. S. Glick, A. Nakano, Membrane traffic within the Golgi complex, Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2009, 24, 113.

S. Emr, et al. Journeys through the Golgi - taking stock in a new era, J. Cell Biol. 2009, 187, 449.