大阪大学大学院生命機能研究科の大学院生の大江由佳子　さん（博士後期課程、研究当時）、大学院医学系研究科の中村修平　准教授（遺伝学/大学院生命機能研究科　細胞内膜動態研究室/高等共創研究院）、吉森保　教授（遺伝学/大学院生命機能研究科　細胞内膜動態研究室）らの研究グループは、オートファジーの過程でできる中間体「アンフィソーム」とリソソームの融合を制御する新たなメカニズムを明らかにしました（図1）。

オートファジーが誘導されると細胞質成分（分解基質）がオートファゴソームにより隔離・輸送され、分解器官であるリソソームと融合することで内容物が分解されます。これまでこの過程には、オートファゴソームがリソソームと直接融合する経路と、アンフィソームと呼ばれる中間体を経たのちリソソームへ融合する２経路あることが知られていましたが、これらの経路を特異的に制御する因子や、２経路が存在する意義については分かっていませんでした。

今回、研究グループは、これまで全く不明であったアンフィソーム・リソソーム融合を制御する新規因子としてPACSIN1を同定しました。PACSINファミリータンパク質は細胞内の様々な膜動態に関与することが知られていますが、オートファジーとの関連は分かっていませんでした。PACSINファミリータンパク質の網羅的解析から、PACSIN1がアンフィソーム・リソソーム融合を促進することにより、恒常的に機能する基底オートファジーや特定の分解基質を特異的に認識し除去する選択的オートファジーの一部を制御していることを明らかにしました。

さらに、線虫や哺乳類培養細胞を用いた実験からPACSIN1がパーキンソン病など神経変性疾患の発症の原因となる異常タンパク質（α-シヌクレイン）凝集体の蓄積を防いでいることが分かりました。これにより、オートファジーの分子機構の理解とともに神経変性疾患の発症の予防に新たな知見をもたらすことが期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「PLOS Genetics」に、7月1日（金）午前3時（日本時間）に公開されました。

図1. 研究概略図
オートファジーの分解経路は２経路存在する。このうち、PACSIN1はアンフィソーム・リソソーム間の融合を制御する

オートファジーが誘導されると、オートファゴソームにより隔離された分解基質は最終的にリソソームに運ばれることで分解されます。これまで、オートファジーの分解基質がリソソームへ運ばれる経路には、オートファゴソームが直接リソソームと融合する経路と、オートファゴソームがエンドソームと融合しアンフィソームと呼ばれる中間体構造物を形成した後にリソソームと融合する経路の2つの経路が存在することが知られていました。しかしながら、これらの経路を特異的に制御する因子はこれまで知られていなかったため、なぜ２つの経路が存在するのか、これら２つの経路の役割の違いについては分かっていませんでした。

本研究グループは、PACSIN1遺伝子欠損細胞で基底オートファジー活性が低下していることを見出しました。そこで、活性低下の原因を調べたところ、オートファゴソームとエンドソームのハイブリッド構造体であるアンフィソームとリソソーム間の融合過程が阻害されていることが分かりました(図2)。具体的にはPACSIN1は膜融合に必要なSNAREタンパク質の複合体形成に必要なことを見出しました。さらに、PACSIN1遺伝子欠損細胞で見られるオートファジー活性の低下は飢餓により誘導されるオートファジーでは見られなかったことから、オートファジー誘導の刺激や分解基質の違いにより、２つの融合経路に使い分けがあると考えました。そこで、特定の分解基質を特異的に分解する選択的オートファジーにおいて、これらの経路に使い分けがあるかを調べました。その結果、傷害を受けたリソソームを選択的に除去するリソファジーやタンパク質凝集体を選択的に除去するアグリファジーではPACSIN1が必要である一方で、不良ミトコンドリアを選択的に除去するマイトファジーにおいてはPACSIN1が必要ではないことが分かりました。これは、オートファジーを誘導する刺激や分解基質の違いにより、２つのオートファゴソーム–リソソーム融合経路を使い分けている可能性を示唆しています。

さらに、アンフィソームを経由した融合経路の生理的な役割を明らかにするために、線虫や哺乳類培養細胞を用いてα-シヌクレイン凝集体の蓄積を調べました。α-シヌクレイン凝集体の蓄積は神経変性疾患の１つであるパーキンソン病の原因となることが知られています。コントロール線虫に対してPACSIN遺伝子欠損線虫ではα-シヌクレイン凝集体の蓄積が亢進していました(図3)。同様の結果が哺乳類培養細胞の実験からも得られました。このことから、アンフィソームを経由したオートファジー経路がタンパク質凝集体の蓄積を防いでいることが分かりました。

図2. PACSIN1遺伝子欠損細胞ではアンフィソームが蓄積する
上：電子顕微鏡による細胞の超微細構造。コントロール細胞と比較してPACSIN1遺伝子欠損細胞ではアンフィソーム（矢印）が蓄積している。
下：蓄積しているアンフィソームの超微細構造。スケールバー、500nm。

図3. PACSIN遺伝子欠損線虫では加齢に伴うα-シヌクレイン凝集体の蓄積が増悪する
コントロール（上）と比較し、PACSINの線虫ホモログであるsdpn-1欠損線虫（下）ではα-シヌクレイン凝集体の蓄積が亢進する。スケールバー、50μm。

近年、オートファジーによる細胞内の不要物のクリアランスが神経変性疾患などの発症の抑止に働いていることが明らかとなってきています。

本研究は、分解基質によりオートファジー経路に使い分けがある可能性を示唆したものであり、今後これらの経路の役割の違い、制御メカニズムをさらに詳細に解析することで神経変性疾患をはじめとするオートファジー関連疾患の治療、および予防に新たな知見をもたらすことが期待されます。

本研究成果は、2022年7月1日（金）午前3時（日本時間）に米国科学誌「PLOS Genetics」（オンライン）に掲載されました。
タイトル：“PACSIN1 is indispensable for amphisome-lysosome fusion during basal autophagy and subsets of selective autophagy”
著者名：Yukako Oe¹, Keita Kakuda², Shin-ichiro Yoshimura³, Naohiro Hara⁴, Junya Hasegawa⁵, Seigo Terawaki⁶, Yasuyoshi Kimura², Kensuke Ikenaka², Shiro Suetsugu^7,8,9, Hideki Mochizuki², Tamotsu Yoshimori^{1, 4, 10}* and Shuhei Nakamura^{1, 4, 11}*（＊責任著者）
所属：
1. 大阪大学　大学院生命機能研究科　細胞内膜動態学
2. 大阪大学　大学院医学系研究科　神経内科学
3. 大阪大学　大学院医学系研究科　細胞生物学
4. 大阪大学　大学院医学系研究科　遺伝学
5. 東京医科歯科大学　難治疾患研究所
6. 川崎医科大学　分子遺伝医学教室
7. 奈良先端科学技術大学院大学　バイオサイエンス領域　分子医学細胞生物学
8. 奈良先端科学技術大学院大学 データ駆動型サイエンス創造センター
9. 奈良先端科学技術大学院大学　デジタルグリーンイノベーションセンター
10. 大阪大学　先導的学際研究機構　生命医科学融合フロンティア研究部門
11. 大阪大学　高等共創研究院
https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1010264

本研究は、科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 CREST研究領域「細胞外微粒子に起因する生命現象の解明とその制御に向けた基盤技術の創出」における研究課題「オートファジーによる細胞外微粒子応答と形成」(研究代表者：吉森保)「JPMJCR17H6」、文部科学省 学術変革領域研究B 「TFEB依存的・非依存的ポストリソソームシグナルによる個体および生殖寿命制御機構」 (研究代表者: 中村修平) 「21H05145」、日本学術振興会 基盤研究B「LC3による非オートファジー機能を介した損傷リソソーム修復機構の解明」(研究代表者: 中村修平) 「21H02428」のサポートを受けて実施されました。