PubMedID 30911187
タイトル Evolution from covalent conjugation to non-covalent interaction in the ubiquitin-like ATG12 system.
ジャーナル Nat Struct Mol Biol, 2019 Apr;26(4);289-296,
著者 Pang Y, Yamamoto H, Sakamoto H, Oku M, Mutungi JK, Sahani MH, Kurikawa Y, Kita K, Noda NN, Sakai Y, Jia H, Mizushima N
  • ユビキチン様ATG12結合システムの退縮進化
  • Posted by 東京大学大学院医学系研究科 分子細胞生物学専攻 分子生物学　山本 林
  • 投稿日 2019/04/14

先日掲載された我々の論文について紹介させて頂きます。
オートファゴソーム形成過程には２つのユビキチン様結合システム（ATG8/LC3結合システムとATG12結合システム）が関与しており、どちらのシステムも進化的に広く保存されています。みなさんもご存じのようにATG8/LC3はタンパク質ではなくリン脂質ホスファチジルエタノールアミン（PE）と共有結合するというユニークな特徴を持っていますが、ATG12もちょっと変わっていて、ATG5というたった１種類のタンパク質を基質とし、さらに他のユビキチン様結合システムで見られるような脱結合もありません。なぜATG12はATG5と共有結合体を形成するのか。
我々はATG12結合システムの進化に興味を持ち、ATG12配列解析を行ってみたところ、マラリアやトキソプラズマなどのアピコンプレックス門原虫、さらにペキソファジーの解析でよく使われるコマガタエラ属酵母 Komagataella phaffii （いわゆるピキアです、Pichia pastorisから学名が変わりました）のATG12は共有結合反応に必須のC末端グリシンを失っていることが分かりました（ピキアではセリンに変異）。また、これらの生物種はATG5を持っていますが、共有結合反応に必須のE2酵素ATG10を失っていました（ATG10遺伝子の欠失）。実際に、マラリア、トキソプラズマ、ピキアを培養して調べてみると、これらの生物種ではATG12とATG5は共有結合しないことが示され、代わりにATG12-ATG5複合体を安定に形成していることが分かりました。トキソプラズマのATG12-ATG5複合体をリコンビナントで用意してin vitroでのATG8-PE形成反応に加えたところ、ATG12-ATG5複合体がE3様活性を持っていることが示され、さらにATG12-ATG5相互作用を壊すような変異を導入するとオートファジー活性がなくなることがピキアを使ったin vivo解析で示されました。これらの結果は、マラリア、トキソプラズマ、ピキアではATG12結合システムがcovalent conjugationから簡便なnon-covalent interactionに退縮進化していることを示しています。
進化系統樹を見てみるとこの退縮進化はATG10遺伝子の欠失、ATG12のC末端グリシン変異・欠失の順番で少なくとも２回、アピコンプレックス門とコマガタエラ属で独立して起こっています（おそらくATG10遺伝子欠失の前にATG12-ATG5相互作用面の獲得）。1998年にATG12結合システムが発見されて以来、なぜATG12はATG5と共有結合する必要があるのか謎でしたが、その答えは「条件が整えば必要なくなる」ということのようです。
本研究は中国農業科学院ハルビン獣医研究所のHonglin Jia准教授、京都大学大学院農学研究科の阪井康能教授、 微生物化学研究会の野田展生部長、長崎大学大学院熱帯医学グローバルヘルス研究科の北潔教授のグループとの共同研究です。

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  • 東京大学大学院医学系研究科分子生物学分野  水島昇  2019/04/22

この20年間、Atg12の秘密はその共有結合にあると信じてきたのですが、そこには本質がないことがわかってしまいました。面白い結果でしたが、自虐ネタとなりました。自分たち発見できたのがまだ救いで、他から発表されていたら大変ショックだったと思います・・
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  • 公益財団法人微生物化学研究会微生物化学研究所  野田　展生  2019/04/22

「Atg12はなぜAtg5と共有結合する必要があるのか？」という難題はいつか解きたいと思っていましたが、問い自体が間違っていたというのは難題に良くあることですね。でも多くの種では両者の共有結合は必須なので、単純にアフィニティーの問題で片付けられるのか、それとも他に理由があるのかは依然として知りたいところです。
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  • 東京工業大学・生命理工学院  中戸川　仁  2019/04/22

共有結合の謎には一つの答えが出たかもしれませんが、「Atg5にはなぜユビキチン様フォールドが二つもあるのか」も何とか理解したい問題ですね。Atg12も足して3つのユビキチン様フォールドがどうやって他のユビキチン様タンパク質（Atg8）の結合反応を促進するのか、とても興味深いです。
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  • 京都大学　農学研究科　応用生命科学専攻  阪井康能  2019/04/22

今回、coauthorに加えて頂き、酵母 K. phaffi を用いた解析を担当しました。
実は、まだこの酵母のゲノム情報がなかった十数年前に Atg5を解析した時、
Atg5-Atg12のバンドが見えずお蔵入りしてました。

> 自分たち発見できたのがまだ救いで、他から発表されていたら大変ショックだったと思います・・
その後、ゲノムが開いて、水島さんからこの話を最初に伺った時、私は少なからずショックでしたが、
最後、寄生中の話とあわせて、共著者にして頂き大変、光栄に思っています。

私達は、本酵母でAtg5-Atg12共有結合を失ったのは、Atg8 のlipidationを調節する必要があったのではないかと考えています。
Atg8は、オートファジーのみならず、液胞融合にも必要であること、液胞融合に、Atg8 C末端のAtg4による切断は必要ですが、
lipidationは不要であることを、以前、報告していました(Tamura et al., J Cell Sci )。
一方、寄生中においては、オートファジーのみならず、アピコプラスト形成にもAtg8が使われています。

従って細胞内で、これらAtg8のもつ異なる二つの機能の仕分けを行うために、すぐに共有結合を形成してしまうのでなく、
強い結合である共有結合 から、弱い結合である非共有結合へ縮小進化することで、Atg12とAtg5の分子同士 の集合と離散をより容易なものにして、Atg8のlipidation、機能制御を行っているのではないかと考えています。
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  • 東京大学大学院医学系研究科分子生物学分野  水島昇  2019/04/22

Conjugation系が見つかるまでは低い位置ばかり見て、Conjugation系が見つかってからは高い位置ばかり見ていたと言うことですね。私も2回楽しませてもらいました。より正確には2回ともだまされました。というのも、マラリア原虫のATG5は巨大なので、私はてっきり共有結合しているものと思っていました（ATG10がないことを知っていたにもかかわらず！）。それが単量体であることを見抜いたのは、私の研究室に参加する直前に訪問に来ていた山本林氏ご本人でした。おみごと！