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Iron-induced NCOA4 condensation regulates ferritin fate and iron homeostasis

Kuno, Sota 京都大学 DOI:10.14989/doctor.k24134

2022.07.25

概要

鉄は細菌から哺乳類に至るほぼすべての生物で必須の栄養素であるが、過剰に存在すると毒性を発揮するため、その量は厳密に制御されている。フェリチンは過剰に存在する鉄を隔離することで、細胞の鉄代謝調節の中核を担う鉄貯蔵タンパク質である。フェリチンは、鉄欠乏時にはオートファジーアダプターであるNCOA4 と結合しマクロオートファジーを介してリソソームで分解され、貯蔵した鉄が取り出されることで鉄欠乏を補っている。一方、鉄過剰時には発現が亢進して鉄を格納することで鉄毒性を回避している。しかし同時に、フェリチンは鉄過剰時にも非典型的なオートファジー経路を介してリソソームで分解されることが知られていた。鉄毒性回避の観点から見れば、鉄過剰時のフェリチンのリソソームへの輸送は不可思議な現象である。しかし、鉄過剰時に見られる病理所見であるヘモジデリンは膜成分に囲まれた変性フェリチンであることを踏まえれば、鉄過剰時のフェリチンのリソソームへの輸送機構の同定は重要である。そこで、鉄過剰時のフェリチン分解の分子機構と意義を明確にすることを本研究の目的とした。

まず、フェリチンの発現をモニターするレポータータンパク質を用いた CRISPRscreening 系を確立し、鉄過剰時のフェリチン分解に必須な因子の網羅的な同定を進めたところ、 NCOA4 が最重要因子として同定された。NCOA4 は鉄過剰時にユビキチン依存的に分解されると報告されていた。そこで、細胞におけるNCOA4 の発現を詳細に解析したところ、NCOA4 は鉄過剰時に分解されるのではなく、Triton X-100 に不溶性の分画へ移動し、凝集体を形成していた。NCOA4 の鉄依存的な凝集は鉄がNCOA4の天然変性領域に結合することで促進されることを明らかにした。

NCOA4 凝集体は培地への鉄添加後早期から生成されるが、鉄過剰早期ではフェリチンとは結合しないため、フェリチンはリソソームに輸送されずに細胞質に蓄積して鉄毒性を回避していた。しかし、鉄過剰が遷延するにつれて、発現上昇したフェリチンはNCOA4 凝集体と結合し、 TAX1BP1 依存的な非典型的オートファジー経路によってリソソームに輸送されて分解されることを見いだした。

最後に、鉄過剰遷延時のフェリチン分解の意義を解析すべく細胞内鉄含量を調べたところ、鉄添加早期には鉄含量は増加するが、遷延するにつれて鉄含量は定常状態になり増加しなかった。鉄過剰遷延時には鉄取り込みタンパク質であるトランスフェリン受容体 1 の発現が低下することから、細胞は相対的な鉄不足に陥り、それを補うためにフェリチン分解が生じると考えられた。これらのことから、NCOA4 の凝集体は鉄処理早期にはフェリチンから隔離され鉄貯蔵を促進するのに対し、鉄過剰遷延時にはフェリチンと結合して分解に導き、相対的な鉄欠乏を回避することを明らかにした。

以上より本研究は、NCOA4-フェリチン経路が鉄毒性のみならず鉄欠乏を回避することで細胞の鉄代謝を巧妙に調節する基軸の 1 つであることを明らかにしたのに加え、未だ不明な点が多いヘモジデリンの形成機構の分子機構の解明の一助となる可能性があり、医学的にも非常に意義深い研究成果である。

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参考文献

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