生化学 SEIKAGAKU
Journal of Japanese Biochemical Society

ミトコンドリアは，エネルギー産生を行うとともに，代謝，シグナル伝達，アポトーシスなど，さまざまな細胞内プロセスにおいても重要な役割を果たす．一方，エネルギー産生の代償として発生する活性酸素により，ミトコンドリアは絶えず傷害を受け，機能低下を余儀なくされる．損傷したミトコンドリアが蓄積すると，活性酸素の漏出や細胞内プロセスの欠損を引き起こすリスクが生じる．そのため，ミトコンドリアの質や量の管理は，細胞の健全性維持に重要な要素といえる．

ミトコンドリアの質や量を制御する機構の一つに，オートファジーによる選択的な分解（マイトファジー）がある．オートファジーは異化経路の一つで，まず細胞質内に隔離膜と呼ばれる脂質膜構造を構築する（図1A

• 図1 オートファジーによる細胞質成分の分解

図1 オートファジーによる細胞質成分の分解

（A）細胞質で構築される隔離膜は，伸長してオートファゴソームになる．オートファゴソームは液胞あるいはリソソームと融合し，隔離した細胞質成分を分解する．（B）出芽酵母のマイトファジー受容体Atg32はミトコンドリア外膜に局在し，隔離膜上のAtg8と結合することで，伸張する隔離膜をミトコンドリアに係留する．（C）Atg32はAtg11との結合を介して隔離膜の形成起点をミトコンドリアにリクルートする．（D）出芽酵母（Atg32），分裂酵母（Atg43），哺乳類（BNIP3, NIX）のマイトファジー受容体．いずれもC末端の膜貫通領域でミトコンドリア外膜に局在し，N末端のAIMを介して隔離膜と結合する．

オートファゴソームの形成を担う因子は，大隅良典博士のグループが中心となり，単細胞真核生物である出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）の解析によって同定された．コアATG（autophagy related）因子と名づけられたこれらの多くは，動植物でも高度に保存されており，オートファジーの機構と役割の解明に貢献してきた．ミトコンドリアのようなオルガネラをオートファジーで分解するためには，コアATG因子に加えて，各オルガネラで特異的に機能する因子が別途必要になる．

出芽酵母の遺伝子破壊株ライブラリーを用いた網羅的な探索から，マイトファジーに特異的に必要なタンパク質Atg32が同定されている^{1, 2）}

• 1) Okamoto, K., Kondo-Okamoto, N., & Ohsumi, Y. (2009) Mitochondria-anchored receptor Atg32 mediates degradation of mitochondria via selective autophagy. Dev. Cell, 17, 87–97.
• 2) Kanki, T., Wang, K., Cao, Y., Baba, M., & Klionsky, D.J. (2009) Atg32 is a mitochondrial protein that confers selectivity during mitophagy. Dev. Cell, 17, 98–109.

出芽酵母では，Atg32に加え，ペルオキシソーム，核膜，小胞体をそれぞれ分解する選択的オートファジーの受容体としてAtg36, Atg39, Atg40が同定されている^{3, 4）}

• 3) Motley, A.M., Nuttall, J.M., & Hettema, E.H. (2012) Pex3-anchored Atg36 tags peroxisomes for degradation in Saccharomyces cerevisiae. EMBO J., 31, 2852–2868.
• 4) Mochida, K., Oikawa, Y., Kimura, Y., Kirisako, H., Hirano, H., Ohsumi, Y., & Nakatogawa, H. (2015) Receptor-mediated selective autophagy degrades the endoplasmic reticulum and the nucleus. Nature, 522, 359–362.

マイトファジーの制御は，受容体の発現時期や量を通じて行われる．Atg32の場合，発現は転写レベルで制御され，DNA結合タンパク質Ume6とヒストン脱アセチル化酵素複合体Sin3-Rpd3が転写を抑制する^6）

• 6) Aihara, M., Jin, X., Kurihara, Y., Yoshida, Y., Matsushima, Y., Oku, M., Hirota, Y., Saigusa, T., Aoki, Y., Uchiumi, T., et al. (2014) Tor and the Sin3-Rpd3 complex regulate expression of the mitophagy receptor protein Atg32 in yeast. J. Cell Sci., 127, 3184–3196.

哺乳類の場合には，マイトファジー受容体であるBNIP3とNIXが転写因子HIF-1αによる低酸素ストレスに応じた発現誘導を受ける．また，リン酸化を介してタンパク質安定性や隔離膜との結合能が調節される．さらに，二量体化やオルガネラ膜への輸送を介した制御，FBXL4を含むユビキチンリガーゼ複合体による分解制御も明らかになってきた^{9, 10）}

• 9) Delgado, J.M., Shepard, L.W., Lamson, S.W., Liu, S.L., & Shoemaker, C.J. (2024) The ER membrane protein complex restricts mitophagy by controlling BNIP3 turnover. EMBO J., 43, 32–60.
• 10) Wilhelm, L.P. & Ganley, I.G. (2023) Eating your mitochondria-when too much of a good thing turns bad. EMBO J., 42, e114542.

長らく，選択的オートファジーに関する知見は，受容体とその制御因子に限られていた．筆者らは，新たなマイトファジー関連因子を同定するため，出芽酵母とは進化系統的にかけ離れた単細胞真核生物である分裂酵母（Schizosaccharomyces pombe）を解析対象にし，遺伝子破壊株ライブラリーを用いた網羅的探索を行った．その結果，それまで機能未知であったタンパク質Atg43とAtg44を同定した．両者はマイトファジーに必須のミトコンドリアタンパク質で，それぞれ外膜と膜間腔に局在する．

機能解析から，Atg43は分裂酵母のマイトファジー受容体であることが明らかになった^12）

• 12) Fukuda, T., Ebi, Y., Saigusa, T., Furukawa, K., Yamashita, S.I., Inoue, K., Kobayashi, D., Yoshida, Y., & Kanki, T. (2020) Atg43 tethers isolation membranes to mitochondria to promote starvation-induced mitophagy in fission yeast. eLife, 9, e61245.

Atg43はミトコンドリア上で受容体以外の機能も担っており，進化の過程で後天的にAIMや受容体機能を獲得したと推測される．各生物がどのようにしてオルガネラごとに適切な受容体を選択・獲得してきたかについても，興味が持たれる．

機能・構造解析から，Atg44はミトコンドリア分裂を促進する因子であることがわかった^13）

• 13) Fukuda, T., Furukawa, K., Maruyama, T., Yamashita, S.I., Noshiro, D., Song, C., Ogasawara, Y., Okuyama, K., Alam, J.M., Hayatsu, M., et al. (2023) The mitochondrial intermembrane space protein mitofissin drives mitochondrial fission required for mitophagy. Mol. Cell, 83, 2045–2058.

図2 mitofissinによるミトコンドリア分裂

（A）Dnm1によるミトコンドリア分裂．ダイナミン様タンパク質Dnm1が重合してリングを形成し，ミトコンドリアの一部をくびりとる．（B）マイトファジーの際に生じるミトコンドリア分裂．隔離膜が伸長する箇所でミトコンドリアの一部が分裂し，オートファゴソームの中に収納される．（C）ミトコンドリア膜間腔（外膜と内膜の間の領域）に局在する脂質膜リモデリング因子Atg44/mitofissinが内膜に作用することで，マイトファジーに必要なミトコンドリア分裂が生じる．

分裂酵母Atg44欠損株のミトコンドリアは異常な形態を示したため，Atg44がミトコンドリア分裂に関与する可能性を検証した．まず，Atg44を強制発現するとミトコンドリアの過剰な分裂による断片化が生じた．また，精製したAtg44はin vitroで脂質膜に直接作用し，膜の切断や分裂を引き起こす活性を示した．さらに，Atg44欠損株のマイトファジー不全は，人為的にミトコンドリアを断片化することで回復した．以上から，Atg44はミトコンドリア分裂を促進し，オートファゴソーム内に収納可能なミトコンドリア断片を作ることが示唆された．

Atg44に類似したタンパク質は菌類に加え，細胞性粘菌，緑藻などにもみられるため，これらをmitofissin（mitochondrial fission protein）と名づけた．出芽酵母のAtg44/mitofissin欠損株でもマイトファジーは生じないため，mitofissinの機能が広く保存されている可能性がある．出芽酵母のAtg44欠損株では，Atg32が正常にAtg11と結合し，隔離膜の形成起点がミトコンドリアにリクルートされる．しかし，Atg32や隔離膜が局在するミトコンドリア領域は，周囲から飛び出した突起状の異常形態を示す．これは，分裂するはずのミトコンドリア領域が切り離されず，本体とつながった状態で隔離膜に包まれずに滞っていると解釈できる．したがって，mitofissinは少なくとも酵母細胞において，マイトファジー誘導時の隔離膜伸長とカップルしたミトコンドリア分裂を担うと結論した（図2C

• 図2 mitofissinによるミトコンドリア分裂

Atg44は73アミノ酸からなるマイクロタンパク質で，疎水性面と親水性面を持つ両親媒性の構造を特徴とする．溶液中および結晶内では疎水面を内部に向けた八量体として存在するものの，膜に作用する際には四量体あるいはそれ以下の状態で，露出した疎水面が脂質膜に作用すると推定された．この作用が膜の脆弱性を誘起し，切断や分裂を引き起こすと考えられる．Atg44は曲率の高い脂質膜や，ミトコンドリア内膜に豊富なリン脂質カルジオリピンを含む膜に好んで結合する．Atg44を強制発現した哺乳類細胞の観察からも，Atg44がミトコンドリア膜間腔で内膜に作用することが示唆されている．こうした特性により，mitofissinはミトコンドリアの内側からマイトファジーの標的領域の分裂に寄与すると考えられる（図2C

• 図2 mitofissinによるミトコンドリア分裂

酵母を利用した解析から，マイトファジーの主要な機構として，受容体が担う「隔離膜の形成と伸長をミトコンドリアに係留する過程」に加えて，脂質膜リモデリング因子mitofissinが担う「ミトコンドリア形態制御の過程」が存在することが明確になった．これはマイトファジーに限らず，核膜や小胞体の選択的オートファジーにおいても同様で，受容体による隔離膜の係留の他に，受容体自身あるいは受容体以外の脂質膜リモデリング因子が行う膜の形態制御が，標的領域の封入に必須であることが明らかになりつつある^{15, 16）}

• 15) Mochida, K., Otani, T., Katsumata, Y., Kirisako, H., Kakuta, C., Kotani, T., & Nakatogawa, H. (2022) Atg39 links and deforms the outer and inner nuclear membranes in selective autophagy of the nucleus. J. Cell Biol., 221, e202103178.
• 16) Fukuda, T., Saigusa, T., Furukawa, K., Inoue, K., Yamashita, S.I., & Kanki, T. (2023) Hva22, a REEP family protein in fission yeast, promotes reticulophagy in collaboration with a receptor protein. Autophagy, 19, 2657–2667.

近年，哺乳類細胞においても網羅的な因子探索が容易になってきた．今後，生物種を問わず，マイトファジーやその他の選択的オートファジーに関与する因子が次々と同定され，分解の機構や制御の詳細，生物種間の共通性と多様性が明らかになっていくと予想する．また，細胞や個体におけるマイトファジーの生理的役割の解明に加え，パーキンソン病のような神経変性疾患やミトコンドリア病のような疾患の治療への応用も期待される．