種子でのタンパク質の大量輸送の仕組みはどのようにして誕生したのか ~膜交通タンパク質の段階的な機能変化が示す進化の足跡~

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2025-05-16 基礎生物学研究所,東京大学,お茶の水女子大学,立命館大学

基礎生物学研究所を中心とする研究グループは、植物が種子内でタンパク質を大量に液胞へ輸送する仕組みの進化的起源を明らかにしました。植物特有の膜融合タンパク質VAMP727が、酸性アミノ酸に富む挿入配列を獲得し、AP-4複合体との結合能力を高めたことが、液胞輸送経路の成立に重要であることを示しました。この変化は、陸上植物と接合藻類の共通祖先における選択的スプライシングに起因するとされ、植物が独自の細胞機能を発達させた過程を分子レベルで示す成果です。研究成果は2025年5月13日付で『Current Biology』に掲載されました。

種子でのタンパク質の大量輸送の仕組みはどのようにして誕生したのか ~膜交通タンパク質の段階的な機能変化が示す進化の足跡~図1 植物におけるVAMP72の構造変化と液胞輸送経路の進化モデル

<関連情報>

VAMP7の新機能化が植物特有の液胞輸送経路を開いた Neofunctionalization of VAMP7 opened up a plant-unique vacuolar transport pathway

Masaru Fujimoto ∙ Yutaro Shimizu ∙ Yoko Ito ∙ … ∙ Akihiko Nakano ∙ Tomohiro Uemura ∙ Takashi Ueda
Current Biology  Published:May 13, 2025
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cub.2025.04.062

Highlights

  • An acidic insertion enabled VAMP72 to function in vacuolar trafficking in plants
  • The insertion originated in the common ancestor of land plants and zygnematophytes
  • Interaction with AP-4 redirected VAMP72 from the secretory to vacuolar trafficking
  • Stepwise sequence changes of the insertion facilitated VAMP727 neofunctionalization

Summary

Each eukaryotic cell possesses a specialized membrane trafficking system that emerged through paralogous expansion followed by the neofunctionalization of trafficking machinery components, including soluble N-ethylmaleimide sensitive factor attachment protein receptor (SNARE) proteins, during evolution. We discovered that the acquisition of an acidic insertion in the polypeptide converted the secretory R-SNARE vesicle-associated membrane protein (VAMP)72 into a major component of plant vacuolar transport. The moderately acidic insertion, originating from alternative splicing in the common ancestor of zygnematophytes and embryophytes, conferred binding ability to the clathrin adapter protein complex-4 (AP-4) at the trans-Golgi network (TGN), partially redirecting the VAMP72 protein from the secretory to the vacuolar transport pathway. Increased acidity of the insertion in angiosperms further reinforced the interaction with AP-4, leading VAMP727 to discrete zoning during sorting at the TGN and a definitive conversion to endosomal localization. This stepwise neofunctionalization of VAMP72 provided an option for the development of the intricate and complex vacuolar transport system in extant angiosperms.

生物工学一般
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