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A02-4

上皮細胞の極性輸送における細胞小器官内選別輸送ゾーンの有無とその意義
研究分担者
木下タロウ
大阪大学　微生物病研究所　籔本難病解明寄附研究部門

研究概要

グリコシルホスファチジルイノシトール(GPI)アンカーは真核生物の数多くの細胞表面タンパク質の膜結合構造として用いられる糖脂質である。ヒトにおいても150種類以上の種々の機能を持つタンパク質がGPIアンカー型タンパク質（GPI-AP）である。GPI-APは、膜ラフトに局在して機能を果たすこと、アンカー切断酵素による膜からの遊離が可能であること、極性細胞でのアピカル膜への選択的輸送等の特有の性状を持ち、これらの性状が糖脂質膜アンカーによってもたらされている。GPIの生合成が生体に必須であることは、GPI生合成遺伝子のノックアウトマウスが胚発生初期に致死になることからよく知られていたが、近年GPI生合成遺伝子の低形質変異によって生合成量が低下することで、様々な症状を示す先天性GPI欠損症症例が次々と見つかってきたことから、GPIアンカーの生理的意義の幅広さがより良く認識されるようになって来た。さらに、GPIアンカーの構造異常を起こす遺伝子変異によっても種々の症状を示す先天性疾患が引き起こされることから、GPIアンカーの量だけでなく微細構造も種々の生理機能に重要であることがわかりつつある。

一方、GPI-AP特有の上記の性状が、タンパク質によっては必ずしも当てはまらない例も発見され、膜アンカーとしてのGPIの基本骨格だけでなく、側鎖の有無などGPI糖脂質の微細構造の多様性がそうした性状の違いに関連している可能性が出てきている。GPIの基本骨格の形成メカニズムは、我々の２０年に及ぶ研究を中心に、その全体がほぼ解明された。しかし、GPIの微細構造の形成と多様性のメカニズムの研究は、まだ緒についたばかりである。GPI-APの生物学的・医学的研究の基礎となる構造多様性の全体像を解明することが極めて重要であるので、現在GPI側鎖の生合成と制御について集中的に解析を行っている。

プリオンなどいくつかのGP-APの構造研究から第１マンノースにNアセチルガラクトサミン(GalNAc)が β1,4結合した側鎖が知られている。この側鎖は、さらにβ1,3ガラクトース(Gal)とシアル酸(Sia)が順に結合して伸長することも知られている（図１）。しかしそれらの付加に必要な遺伝子群が未解明なためβGalNAc側鎖の生理的意義は不明であり、どれだけの多様性があるか、すなわち、どの組織のどのGPI-APにどの長さの側鎖が付加しているかについてもほとんどわかっていない。また、側鎖の伸長がゴルジ体のどこで行われるのかも不明である。最近私たちは、βGalNAcの付加に必要な遺伝子をクローニングすることに成功し、PGAP4と名付けたこの遺伝子が、βGalNAc転移酵素の触媒成分であることを証明した。現在同タンパク質の性状を解析するとともに、β1,3ガラクトースとシアル酸の付加を担う酵素を同定すべく研究を進めている。GPI側鎖付加と脂肪酸リモデリングといったゴルジ体でのGPI構造変化が起こるゾーンの存在が想定されるので、本新学術研究の期間中にその実態を解明したい。

 

代表的な原著論文

  1. Kobayashi, A.*, Hirata, T.*, Nishikaze, T., Ninomiya, A., Maki, Y., Takada, Y., Kitamoto, T., and Kinoshita, T. (2020) α2, 3-linkage of sialic acid to a GPI-anchor and an unpredicted GPI attachment site in human prion protein. J. Biol. Chem., 295(22):7789-7798.

  2. Lee, G.-H., Fujita, M., Nakanishi, H., Miyata, H., Ikawa, M., Maeda, Y., Murakami, Y., and Kinoshita, T. (2020) PGAP6, a GPI-specific phospholipase A2, has narrow substrate specificity against GPI-anchored proteins. J. Biol. Chem., 295(42):14501-14509.

  3. Langemeijer, S., Schaap, C., Preijers, F., Jansen, J. H., Blijlevens, N., Inoue, N., Muus, P., Kinoshita, T., and Murakami, Y. (2020) Paroxysmal nocturnal hemoglobinuria caused by CN-LOH of constitutional PIGB mutation and 70-kb microdeletion on 15q. Blood Adv., 4(22):5755-5761.

  4. Guo, X.-Y., Liu, Y.-S., Gao, X.-D., Kinoshita, T., and Fujita, M. (2020) Calnexin mediates the maturation of GPI-anchors through ER retention. J. Biol. Chem., in press.

  5. Okuda, T., Yonekawa, T., Murakami, Y., Kinoshita, T., Matsushita, K., Koike, Y., Inoue, M., Uchida, K., Yodoya, N., Ohashi, H., Sawada, H., Iwamoto, S., Mitani, Y., and Hirayama, M. (2020) PIGO variants in a boy with features of Mabry syndrome who also exhibits Fryns syndrome with peripheral neuropathy. Am. J. Med. Genet. A, in press.

  6. Wang, Y., Maeda, Y., Liu, Y.-S., Takada, Y., Ninomiya, A., Hirata, T., Fujita, M., Murakami, Y., and Kinoshita, T. (2020) Cross-talks of glycosylphosphatidylinositol biosynthesis with glycosphingolipid biosynthesis and ER-associated degradation. Nat. Commun., 11:860.
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32054864

  7. Wang, Y., Hirata, T., Maeda, Y., Murakami, Y., Fujita, M., and Kinoshita, T. (2019) Free, unlinked glycosylphosphatidylinositols on mammalian cell surfaces revisited. J. Biol. Chem., 294:5038-5049.
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30728244

  8. Nguyen, T. T. M., Murakami, Y., Mobilio, S., Niceta, M., Zampino, G., Philippe, C., Moutton, S., Zaki, M. S., James, K., Musaev, D., Mu, W., Baranano, K., Nance, J. R., Rosenfeld, J. A., Braverman, N., Ciolfi, A., Millan, F., Person, R. E., Bruel, A.-L., Thauvin-Robinet, C., Ververi, A., DeVile, C., Male, A., Efthymiou, S., Maroofian, R., Houlden, H., Maqbool, S., Rahman, F., Baratang, N. V., Rousseau, J., St-Denis, A., Elrick, M. J., Anselm, I., Rodan, L.H., Tartaglia, M., Gleeson, J., Kinoshita, T., and Campeau, P. M. (2020) Bi-allelic variants in the GPI transamidase subunit PIGK cause a neurodevelopmental syndrome with hypotonia and cerebellar atrophy and epilepsy. Am. J. Hum. Genet., in press.
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32220290

  9. Murakami, Y.,* Nguyen*, T. T. M., Baratang, N., Raju, P. K., Knaus, A., Ellard, S., Jones, G., Lace, B., Rousseau, J., Ajeawung, N. F., Kamei, A., Minase, G., Akasaka, M., Araya, N., Koshimizu, E., van den Ende, J., Erger, F., Altmüller, J., Krumina, Z., Strautmanis, J., Inashkina, I., Stavusis, J., El-Gharbawy, A., Sebastian, J., Dua Puri, R., Kulshrestha, S., Verma, I. C., Maier, E. M., Haack, T., Israni, A., Baptista, J., Gunning, A., Rosenfeld, J. A., Liu, P., Joosten, M., Rocha, M. E., Hashem, M. O., Aldhalaan, H. M., Alkuraya, F. S., Miyatake, S., Matsumoto, N., Krawitz, P., Rossignol, E., Kinoshita, T., and Campeau, P. M. (2019) Mutations in PIGB cause an inherited GPI biosynthesis defect with an axonal neuropathy and metabolic abnormality in severe cases. Am. J. Hum. Genet., 105:384-394.
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31256876

  10. Hoechsmann, B.*, Murakami, Y. *, Osato, M. *, Knaus, A., Kawamoto, M., Inoue, N., Hirata, T., Murata, S., Anliker, M., Eggermann, T., Jaeger, M., Floettmann, R., Hoellein, A., Murase, S., Ueda, Y., Nishimura, J., Kanakura, Y., Kohara, N., Schrezenmeier, H.+, Krawitz, P. M.+, and Kinoshita, T. + (2019) Complement and inflammasome overactivation mediates paroxysmal nocturnal hemoglobinuria with autoinflammation. J. Clin. Invest.,129:5123-5136. doi: 10.1172/JCI123501
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31430258

  11. Mogami, Y., Suzuki, Y., Murakami, Y., Ikeda, T., Kimura, S., Yanagihara, K., Okamoto, N., and Kinoshita, T. (2018) Early infancy-onset stimulation-induced myoclonic seizures in three siblings with inherited glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor deficiency. Epileptic Disord., 20:42-50.

  12. Pagnamenta, A. T. *, Murakami, Y. *, Anzilotti, C., Titheradge, H., Oates, A. J., Morton, J., The DDD Study, Kinoshita, T.+, Kini, U.+, and Taylor, J. C.+. (2018) A homozygous variant disrupting the PIGH start-codon is associated with developmental delay, epilepsy and microcephaly. Hum. Mutat., 39:822-826. (* and +, equal contribution)

  13. Yoko-o, T., Umemura, M., Komatsuzaki, A., Ikeda, K., Ichikawa, D., Takase, K., Kanzawa, N., Saito, K., Kinoshita, T., Taguchi, R., and Jigami, Y. (2018) Lipid moiety of glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins contributes to the determination of their final destination in yeast. Genes Cells, 23:880-892.

  14. Kawamoto, M., Murakami, Y., Kinoshita, T., and Kohara, N. (2018) Recurrent aseptic meningitis with PIGT mutations: a novel pathogenesis of recurrent meningitis successfully treated by eculizumab. BMJ Case Rep., pii: bcr-2018-225910.

  15. Nguyen, T. T. M., Murakami, Y., Wigby, K. M., Baratang, N. V., St-Denis, A., Rosenfeld, J. A., Laniewski, S. C., Jones, J., Iglesias, A. D., Jones, M. C., Masser-Frye, D., Scheuerle, A. E., Taft, R. J., Le Deist, F., Thompson, M., Kinoshita, T., and Campeau, P. M. (2018) Mutations in PIGS, encoding a GPI transamidase, cause a neurological syndrome ranging from fetal akinesia to epileptic encephalopathy. Am. J. Hum. Genet., 103:602-611.

  16. Yamamoto-Hino, M., Katsumata, E., Suzuki, E., Maeda, Y., Kinoshita, T., and Goto, S. (2018) Nuclear envelope localization of PIG-B is essential for GPI anchor synthesis in Drosophila. J. Cell Sci., 131: pii: jcs218024.

  17. Nguyen, Thi Tuyet Mai*, Y. Murakami*, E. Sheridan*, S. Ehresmann, J. Rousseau, A. St-Denis, G. Chai, N. F. Ajeawung, L. Fairbrother, T. Reimschisel, A. Bateman, E. Berry-Kravis, F. Xia, J. Tardif, D. A. Parry, C. V. Logan, C. Diggle, C. P. Bennett, L. Hattingh, J. A. Rosenfeld, M. S. Perry, M. J. Parker, F. Le Deist, M. S. Zaki, E. Ignatius, P. Isohanni, T. Loennqvist, C. J. Carroll, C. A. Johnson, J. G. Gleeson, T. Kinoshita and P. M. Campeau. (2017) Mutations in GPAA1, encoding a GPI transamidase complex protein, cause developmental delay, epilepsy, cerebellar atrophy, and osteopenia. Am. J. Hum. Genet., 101:856-865.

  18. Liu, Y.-S., X.-Y. Guo, T. Hirata, Y. Rong, D. Motooka, T. Kitajima, Y. Murakami, X.-D. Gao, S. Nakamura, T. Kinoshita and M. Fujita. (2017) N-Glycan dependent protein folding and endoplasmic reticulum retention regulate GPI-anchor processing. J. Cell Biol., 217: 585-599.

  19. Hirata, T., S. K. Mishra, S. Nakamura, K. Saito, D. Motooka, Y. Takada, N. Kanzawa, Y. Murakami, Y. Maeda, M. Fujita, Y. Yamaguchi and T. Kinoshita. (2017) Identification of a Golgi GPI-N-acetylgalactosamine transferase with tandem transmembrane regions in the catalytic domain. Nat. Commun., 9:405.

  20. Lee, G-H., Fujita, M., Takaoka, K., Murakami, Y., Fujihara, Y., Kanzawa, N., Murakami, K., Kajikawa, E.,  Takada, Y., Saito, K., Ikawa, M., Hamada, H., Maeda, Y., and Kinoshita, T. (2016) A GPI processing phospholipase A2, PGAP6, modulates Nodal signaling in embryos by shedding CRIPTO. J. Cell Biol. 215, 705-718
  21. Fujita, M., Watanabe, R., Jaensch, N., Romanova-Michaelides, M., Satoh, T., Kato, M., Riezman, H., Yamaguchi, Y., Maeda, Y., and Kinoshita, T. (2011) Sorting of GPI-anchored proteins into ER-exit sites by p24 proteins is dependent on remodeled GPI. J. Cell Biol. 194, 61-75
  22. Fujita, M., Maeda, Y., Ra, M., Yamaguchi, Y., Taguchi, R., and Kinoshita T. (2009) GPI-glycan remodeling by PGAP5 regulates transport of GPI-anchored proteins from the ER to the Golgi. Cell, 139, 352-365
  23. Maeda, Y., Ide, T., Koike, M., Uchiyama, Y., and Kinoshita, T. (2008) GPHR is a novel anion channel critical for acidification and functions of the Golgi apparatus. Nat. Cell Biol. 10, 1135–1145
  24. Maeda, Y., Tashima, Y., Houjou, T., Fujita, M., Yoko-o, T., Jigami, Y., Taguchi, R., and Kinoshita, T. (2007) Fatty acid remodeling of GPI-anchored proteins is required for their raft association. Mol. Biol. Cell, 18, 1497-1506 

総説

  1. Kinoshita, T. (2020) Biosynthesis and biology of mammalian GPI-anchored proteins. Open Biol., 10: 190290. (Review)
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32156170

  2. Kinoshita, T. (2018) Congenital defects in the expression of the glycosylphosphatidylinositol-anchored complement regulatory proteins CD59 and decay-accelerating factor. Semin. Hematol., 55:136-140.

  3. Colley, K. J., Varki, A. and Kinoshita, T.  (2017) Cellular Organization of Glycosylation. In Essentials of Glycobiology 3rd ed. Varki, A., Cummings, R.D., Esko, J.D., Stanley, P., Hart, G.W., Aebi, M., Darvill, A., Kinoshita, T., Packer, N.J., Prestegard, J., Schnaar, R., Seeberger, P. (eds.), p41-49. Cold Spring Harbor Laboratory Press: Cold Spring Harbor, NY.
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  4. Schnaar, R. L. and Kinoshita, T.  (2017) Glycosphingolipids. In Essentials of Glycobiology 3rd ed. Varki, A., Cummings, R.D., Esko, J.D., Stanley, P., Hart, G.W., Aebi, M., Darvill, A., Kinoshita, T., Packer, N.J., Prestegard, J., Schnaar, R., Seeberger, P. (eds.), p125-135. Cold Spring Harbor Laboratory Press: Cold Spring Harbor, NY.
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  6. Freeze, H. H., Kinoshita, T.  and Schnaar, R. L.  (2017) Genetic disorders of glycan degradation. In Essentials of Glycobiology 3rd ed. Varki, A., Cummings, R.D., Esko, J.D., Stanley, P., Hart, G.W., Aebi, M., Darvill, A., Kinoshita, T., Packer, N.J., Prestegard, J., Schnaar, R., Seeberger, P. (eds.), p553-568. Cold Spring Harbor Laboratory Press: Cold Spring Harbor, NY.
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  7. Freeze, H. H., H. Schachter and Kinoshita, T.  (2017) Genetic disorders of glycosylation. In Essentials of Glycobiology 3rd ed. Varki, A., Cummings, R.D., Esko, J.D., Stanley, P., Hart, G.W., Aebi, M., Darvill, A., Kinoshita, T., Packer, N.J., Prestegard, J., Schnaar, R., Seeberger, P. (eds.), p569-582. Cold Spring Harbor Laboratory Press: Cold Spring Harbor, NY.
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28876812

  8. Freeze, H. H., Kinoshita, T.  and Varki, A. (2017) Glycans in acquired human diseases. In Essentials of Glycobiology 3rd ed. Varki, A., Cummings, R.D., Esko, J.D., Stanley, P., Hart, G.W., Aebi, M., Darvill, A., Kinoshita, T., Packer, N.J., Prestegard, J., Schnaar, R., Seeberger, P. (eds.), p583-595. Cold Spring Harbor Laboratory Press: Cold Spring Harbor, NY.
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28876835

  9. 木下タロウ、2014、グリコシルホスファチジルイノシトール（GPI）アンカー型タンパク質の生化学、生化学、86(5):626-636.
  10. Kinoshita, T., and Fujita, M. (2016) Biosynthesis of GPI-anchored proteins: special emphasis on GPI lipid remodeling. J. Lipid Res. 57, 6-24
  11. Hill, A., DeZern, A. E., Kinoshita, T., and Brodsky, R. A. (2017) Paroxysmal Nocturnal Haemoglobinuria. Nat. Rev. Dis. Prime. 3, 17028
  12. 木下タロウ、2017、後天性突然変異で生じるGPIアンカー欠損赤血球と発作性夜間ヘモグロビン尿症、生化学、89(3):351-358.