広報室 -PUBLIC RELATIONS DEPARTMENT-

主要論文

2017年

松野グループ

1. Inaki, M., Yang L. J., and Matsuno K.
Left-right asymmetric morphogenesis in Drosophila and other invertebrates: the discovery of intrinsic cell chirality and its functions.
Reviews in Cell Biology and Molecular Medicine in press (2017)

ABSTRACT:
The formation of left-right (LR) asymmetry is one of the fundamental problems to be solved in developmental biology. In various vertebrate species, the LR axis forms as a result of a leftward flow of extraembryonic fluid that is generated by motile cilia. However, recent studies show that the mechanisms of LR-asymmetric development are evolutionarily divergent even among vertebrates. In snails and nematodes, the LR asymmetry of blastomeres plays a key role in the LR-asymmetric disposition of blastomeres during subsequent development, leading to LR-asymmetric cell-cell interactions among the blastomeres. Such LR asymmetry of cells can be defined as cell chirality. An object has chirality if it cannot be superimposed onto its mirror image. In some Drosophila organs, epithelial cells have intrinsic cell chirality that drives LR-asymmetric morphogenesis. Thus, the mechanisms of LR-asymmetric development in Lophotrochozoa and Ecdysozoa differ from the motile-cilia-driven mechanisms found in vertebrates. Although intrinsic cell chirality has been observed in various cultured vertebrate cells, the biological role of this chirality is unknown. Cell chirality might be a general mechanism for LR-asymmetric development across phyla.

要旨:
ショウジョウバエやその他の無脊椎動物の左右非対称性形成における細胞キラリティの機能に関するレビュー。ショウジョウバエ、線虫、巻貝などにおいては、アクチン細胞骨格に依存する細胞キラリティによって左右非対称性が形成される。細胞キラリティによる左右非対称性の形成機構の普遍性について総括的に議論した。

細胞(上の模式図)は、ヒトの左右の手や、アミノ酸(下の図)と同様に、キラリティを示す。

2016年

松野グループ

1. Inaki, M., Yang L. J., and Matsuno K.
Cell chirality: its origin and roles in left-right asymmetric development.
Phil Trans B 371, 20150403 (2016).
DOI: 10.1098/rstb.2015.0403

ABSTRACT:
An item is chiral if it cannot be superimposed on its mirror image. Most biological molecules are chiral. The homochirality of amino acids ensures that proteins are chiral, which is essential for their functions. Chirality also occurs at the whole-cell level, which was first studied mostly in ciliates, single-celled protozoans. Ciliates show chirality in their cortical structures, which is not determined by genetics, but by 'cortical inheritance'. These studies suggested that molecular chirality directs whole-cell chirality. Intriguingly, chirality in cellular structures and functions is also found in metazoans. In Drosophila, intrinsic cell chirality is observed in various left–right (LR) asymmetric tissues, and appears to be responsible for their LR asymmetric morphogenesis. In other invertebrates, such as snails and DCaenorhabditis elegans, blastomere chirality is responsible for subsequent LR asymmetric development. Various cultured cells of vertebrates also show intrinsic chirality in their cellular behaviours and intracellular structural dynamics. Thus, cell chirality may be a general property of eukaryotic cells. In Drosophila, cell chirality drives the LR asymmetric development of individual organs, without establishing the LR axis of the whole embryo. Considering that organ-intrinsic LR asymmetry is also reported in vertebrates, this mechanism may contribute to LR asymmetric development across phyla.

要旨:
生体を構成するほとんど全ての高分子の構造はキラル(鏡像がもとの像と重ならない性質があること)である。さらに、顕微鏡下で観察できるアクチンフィラメントや微小管にもキラリティがある。これらが集合してできた細胞においても、キラリティが認められることがわかってきた。細胞キラリティの起源と普遍性、その左右非対称性形成における機能に関する、世界で最初の総説である。

ショウジョウバエの左右非対称性形成では、細胞キラリティが普遍的に機能している。胚の後腸の捻転(上)、成虫の雄生殖器の回転(中)、成虫の腸の捻転(下)は、細胞キラリティによって駆動される。これらの捻転、回転の方向は常に一定である。

2. Matsumoto, K., Ayukawa, T., Ishio, A., Sasamura, T., Yamakawa, T. and Matsuno, K.
Dual roles of O-glucose glycans redundant with monosaccharide O-fucose on Notch in Notch Trafficking.
J. Biol. Chem. 291, 13743-13752 (2016).
DIO:10.1074/jbc.M115.710483.

ABSTRACT:
Notch is a transmembrane receptor that mediates cell-cell interactions and controls various cell-fate specifications in metazoans. The extracellular domain of Notch contains multiple epidermal growth factor (EGF)-like repeats. At least five different glycans are found in distinct sites within these EGF-like repeats. The function of these individual glycans in Notch signaling has been investigated, primarily by disrupting their individual glycosyltransferases. However, we are just beginning to understand the potential functional interactions between these glycans. Monosaccharide O-fucose and O-glucose trisaccharide (O-glucose-xylose-xylose) are added to many of the Notch EGF-like repeats. In Drosophila, Shams adds a xylose specifically to the monosaccharide O-glucose. We found that loss of the terminal dixylose of O-glucose-linked saccharides had little effect on Notch signaling. However, our analyses of double mutants of shams and other genes required for glycan modifications revealed that both the monosaccharide O-glucose and the terminal dixylose of O-glucose-linked saccharides function redundantly with the monosaccharide O-fucose in Notch activation and trafficking. The terminal dixylose of O-glucose-linked saccharides and the monosaccharide O-glucose were required in distinct Notch trafficking processes: Notch transport from the apical plasma membrane to adherens junctions, and Notch export from the endoplasmic reticulum, respectively. Therefore, the monosaccharide O-glucose and terminal dixylose of O-glucose-linked saccharides have distinct activities in Notch trafficking, although a loss of these activities is compensated for by the presence of monosaccharide O-fucose. Given that various glycans attached to a protein motif may have redundant functions, our results suggest that these potential redundancies may lead to a serious underestimation of glycan functions.

要旨:
Notchシグナルは、ショウジョウバエの左右非対称性形成に必須である。我々のグループは、ショウジョウバエNotchのEGF様リピートのO-フコースグリカン(フコース—GlcNAcの2糖)、O-グルコースグリカン(グルコース—キシロース—キシロースの3糖)修飾の機能について研究してきた。Notchの多くのEGF様リピートは、この2つの修飾を同時に受ける。我々の研究から、O-フコース単糖とO-グルコース単糖は、Notchが小胞体から搬出されるのに冗長的に機能していることがわかった。さらに、O-フコース単糖とO-グルコースグリカン末端のキシロース-キシロースは、Notchの細胞膜表面から接着帯への小胞輸送に冗長的な機能をもっていた。つまり、O-グルコースグリカンのNotch細胞内輸送における二つの異なる機能は、両者ともO-フコース単糖の機能と冗長的であり、これらの機能は、それぞれの糖鎖を単独で欠失させても検出できない。この冗長性は、栄養状態の影響を受けやすい糖鎖の機能にロバストネスを与えていると考えられる。特に、Notchシグナルを介した細胞運命の決定は、Notchシグナルの強弱に高い感受性を示すことから、劣悪な栄養状態のもとでの糖鎖の変化に対するロバストネスは、発生において重要な意味をもつ可能がある。

縦線の太さはNotchの量を定性的に示す。野生型や、O-fut1(O-フコース転移酵素)、shams(キシロース転移酵素)、rumi(O-グルコース転移酵素)遺伝子突然変異それぞれ単独のホモ接合細胞では、Notchは正常にSAC/AJ(亜頂端・接着帯)に局在する。しかし、O-fut1とshamsの二重突然変異細胞では、(O-フコースとキシロースを同時に欠失)では、Notchは頂端の細胞膜に蓄積し、亜頂端・接着帯から消失する。O-fut1とrumiの二重突然変異細胞では、(O-フコースとO-グルコースを同時に欠失)では、Notchは小胞体から搬出されなくなる。

2015年

松野グループ

1. Okumura, T., Sasamura, T., Inatomi, M., Hozumi, S., Nakamura, M., Hatori, R., Taniguchi, K., Nakazawa,N., Suzuki, E., Maeda, R., Yamakawa, T., and Matsuno, K.
Class I myosins have overlapping and specialized functions in left-right asymmetric development in Drosophila.
Genetics 199 (4) 1183-1199 (2015).
DIO: 10.1534/genetics.115.174698.

ABSTRACT:
The class I myosin genes are conserved in diverse organisms, and their gene products are involved in actin dynamics, endocytosis, and signal transduction. Drosophila melanogaster has three class I myosin genes, Myosin 31DF (Myo31DF), Myosin 61F (Myo61F), and Myosin 95E (Myo95E). Myo31DF, Myo61F, and Myo95E belong to the Myosin ID, Myosin IC, and Myosin IB families, respectively. Previous loss-of-function analyses of Myo31DF and Myo61F revealed important roles in left-right (LR) asymmetric development and enterocyte maintenance, respectively. However, it was difficult to elucidate their roles in vivo, because of potential redundant activities. Here we generated class I myosin double and triple mutants to address this issue. We found that the triple mutant was viable and fertile, indicating that all three class I myosins were dispensable for survival. A loss-of-function analysis revealed further that Myo31DF and Myo61F, but not Myo95E, had redundant functions in promoting the dextral LR asymmetric development of the male genitalia. Myo61F overexpression is known to antagonize the dextral activity of Myo31DF in various Drosophila organs. Thus, the LR-reversing activity of overexpressed Myo61F may not reflect its physiological function. The endogenous activity of Myo61F in promoting dextral LR asymmetric development was observed in the male genitalia, but not the embryonic gut, another LR asymmetric organ. Thus, Myo61F and Myo31DF, but not Myo95E, play tissue-specific, redundant roles in LR asymmetric development. Our studies also revealed differential colocalization of the class I myosins with filamentous (F)-actin in the brush border of intestinal enterocytes.

要旨:
ショウジョウバエのMyosinIDをコードするMyosin31DF(Myo31DF)の突然変異体では色々な器官の左右非対称性が反転し、同時に、左右非対称な形態形成を駆動している細胞キラリティも鏡像化する。MyosinIDは、I型ミオシンの一種である。ショウジョウバエのI型ミオシンには、Myo31DFに加えて、Myosin61F(Myo61F)とMyosin95E(Myo95E)がある。Myo61FとMyo95Eの突然変異は、それぞれ単独では異常を示さない。一方、Myo31DFとMyo61Fの二重突然変異体では、Myo31DF突然変異体でみられる内臓逆位の頻度が高まった。このことは、左右非対称性の形成において、Myo31DFとMyo61Fは冗長的に機能していることを示している。しかし、Myo31DFとMyo95Eの二重突然変異体では、Myo31DFの左右非対称性異常の表現型の増悪は認められなかった。さらに、Myo61FとMyo95Eの二重突然変異体では、寿命、行動、発生の異常は検出されなかった。さらに、Myo31DF、Myo61F、Myo95Eの三重突然変異体は、3つの遺伝子の母性効果を除いた場合でも、成虫まで生存し、正常に生殖した。これらの結果から、ショウジョウバエのI型ミオシンは生存に必須な機能を有していないことがわかった。

ショウジョウバエの3つのI型ミオシンのドメイン構造

2. Ishio, A., Sasamura, T., Ayukawa, T., Kuroda, J., Ishikawa, H. O., Aoyama, N., Matsumoto, K., Gushiken, T., Okajima, T., Yamakawa, T., and Matsuno, K.
O-fucose monosaccharide of Drosophila Notch has a temperature-sensitive function and cooperates with O-glucose glycan in Notch transport and Notch signaling activation.
J. Biol. Chem. 290, 505-519 (2015).
DIO: 10.1074/jbc.M114.616847.

ABSTRACT:
Notch (N) is a transmembrane receptor that mediates the cell-cell interactions necessary for many cell fate decisions. N has many epidermal growth factor-like repeats that are O-fucosylated by the protein O-fucosyltransferase 1 (O-Fut1), and the O-fut1 gene is essential for N signaling. However, the role of the monosaccharide O-fucose on N is unclear, because O-Fut1 also appears to have O-fucosyltransferase activity-independent functions, including as an N-specific chaperon. Such an enzymatic activity-independent function could account for the essential role of O-fut1 in N signaling. To evaluate the role of the monosaccharide O-fucose modification in N signaling, here we generated a knock-in mutant of O-fut1 (O-fut1(R245A knock-in)), which expresses a mutant protein that lacks O-fucosyltransferase activity but maintains the N-specific chaperon activity. Using O-fut1(R245A knock-in) and other gene mutations that abolish the O-fucosylation of N, we found that the monosaccharide O-fucose modification of N has a temperature-sensitive function that is essential for N signaling. The O-fucose monosaccharide and O-glucose glycan modification, catalyzed by Rumi, function redundantly in the activation of N signaling. We also showed that the redundant function of these two modifications is responsible for the presence of N at the cell surface. Our findings elucidate how different forms of glycosylation on a protein can influence the protein's functions.

要旨:
Notchシグナルは、ショウジョウバエの左右非対称性形成に必須である。Notchシグナルは、細胞間相互作用を介した細胞運命決定において重要な役割を担っている。膜貫通型受容体であるNotchの細胞外ドメインには、リガンドが結合するEGF様リピート存在する。これらのEGF様リピートの一部には、protein O-fucosyltransferase 1(O-fut1)によってO-フコースが、RumiによってO-グルコースが付加される。我々は、O-fut1遺伝子がNotchシグナル伝達に必須であることを明らかにした。一方、O-fut1は、酵素活性非依存的な、Notchに対するシャペロン機能をもっている。O-fut1遺伝子がNotchシグナルに必須であることは、O-fut1のシャペロン機能がNotchシグナルに不可欠であると考えても説明できることから、NotchのO-フコース単糖修飾の機能の有無については、異なった結果が報告されていた。
本研究では、O-フコース転移酵素の活性はもたないが、シャペロン機能を維持したO-fut1をコードする、O-fut1ノックイン突然変異を作出した。この突然変異体を用いた解析によって、NotchのO-フコース単糖修飾は、至適温度(25℃)では必要ではないが、やや高温での生育状態(正常に発生、増殖できる30℃)においては、Notchシグナルの活性化に必須であった。また、NotchのO-フコース単糖修飾は、O-グルコースグリカンと協調的に働いていることがわかった。

O-fut1R245Aの突変変異体では、NotchのO-フコース単糖修飾は起こらない。至適温度(25℃)では、この状態でもNotchの正常なフォールデングが起こるが、やや高温での生育状態(正常に発生、増殖できる30℃)においては、Notchのフォールデングは異常になっていると考えられた。これは、NotchにO-グルコースが付加されないrumi突然変異においても同様である。また、NotchのO-フコース単糖修飾とO-グルコースグリカン修飾は、Notchのフォールデングにおいて協調的に働いていること考えられた。