【概要】
奈良先端科学技術大学院大学 (学長: 横矢直和) 先端科学技術研究科 バイオサイエンス領域の伊藤寿朗教授、奈良先端大 先端科学技術研究科 バイオサイエンス領域・JSTさきがけの山口暢俊助教、立命館大学 立命館グローバル・イノベーション研究機構・JSTさきがけの菅野茂夫助教、東北大学大学院 生命科学研究科の西谷和彦教授、名古屋大学大学院 生命農学研究科の榊原均教授らの共同研究グループは、パイオニアとなる転写因子がクロマチンリモデリング因子と共にはたらいてクロマチンの構造を開き、別の転写因子をDNAにアクセス可能にして、めしべをつくるという仕組みを明らかにしました。
めしべは果実や種子をつくるため、植物の生存だけでなく、人々の生活も支えています。そのため、めしべがどのようにしてつくられるかを知ることは、食糧増産につながります。めしべをつくるためには、遺伝子発現のスイッチをONにする複数の転写因子がはたらくことがわかっていました。遺伝子発現のスイッチが入っていないOFFの状態では、長いDNAはヒストンというタンパク質に巻きついて、クロマチンと呼ばれる折りたたまれた構造を作っています。遺伝子発現のスイッチをONにするためには、その構造をほどいて、開いていく必要があります。しかしながら、それらの転写因子がどのような順序や方法でクロマチンにはたらきかけ、その構造と遺伝子の発現を変化させていくのか？という詳しい仕組みは分かっていませんでした。
伊藤らの共同研究グループは、モデル植物のシロイヌナズナを使って、パイオニアとなる転写因子がDNAの折りたたみ構造を変化させて、次の転写因子が機能できるようにするという仕組みを明らかにしました。これまでにこのような仕組みは動物でのみ報告されていました。今回、植物にも同様の仕組みが存在し、めしべをつくるために必要であることを世界にさきがけて発見しました。めしべづくりの人為的な調節によって、食糧増産や安定供給が期待されます。本研究の成果は2018年12月11日付けでNature Communications（オンラインジャーナル）に掲載されました。
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1. 背景
植物は生殖器官であるめしべをつくって、次の世代の子孫を残します。めしべをつくるためには、遺伝子発現のスイッチをONにする転写因子がはたらきます。この転写因子は遺伝子のはたらきのONのOFFを変えて、形づくりを進めます。遺伝子発現のスイッチが入っていないOFFの状態では、長いDNAはヒストンというタンパク質に巻きついて、クロマチンと呼ばれる折りたたまれた構造を作っています。遺伝子発現のスイッチをONにするためには、その構造をほどいて、開いていく必要があります。これまでにめしべをつくるためにはたらく転写因子が複数わかっていましたが、それらの転写因子がどのような順序や方法でクロマチンにはたらきかけ、その構造と遺伝子の発現を変化させていくのか？という詳しい仕組みは分かっていませんでした。
2. 研究手法と成果
はじめに私たちは、シロイヌナズナというモデル植物でめしべをつくるはたらきがある転写因子AGAMOUS(AG)とCRABS CLAW(CRC)に注目しました。AGタンパク質がはたらかないag突然変異体では、めしべはできなくなることがわかっていたからです。また、CRCタンパク質がはたらかないcrc突然変異体でも、正常なめしべはできないことが報告されていました。二つの突然変異体を用いて、遺伝子の発現を網羅的に解析することで、2つの転写因子が複数の遺伝子の発現を同じように調節することを発見しました。その中に、植物ホルモンの１つであるオーキシンを合成するはたらきがあるYUCCA4(YUC4)という遺伝子が含まれていました。
このオーキシンというホルモンは形づくりを実行するはたらきがあるため、AGとCRCがどのようにYUC4遺伝子の発現を調節するか？を調べてみました。agとcrc突然変異体ではYUC4遺伝子の発現量は減少することがわかりました。逆に、AGやCRCの活性を強くした場合には、YUC4遺伝子の発現量は増加しました。また、AG、CRCのどちらもYUC4遺伝子に直接結合することも発見しました。この結果から、AGとCRCはどちらもYUC4遺伝子に結合して発現のスイッチを入れることを明らかにしました。
AGとCRCはどちらもYUC4遺伝子に結合していたものの、両者の結合部位は少しずれていました。そのため、AGとCRCタンパク質が複合体を形成してYUC4遺伝子の同じ位置に結合するのではないと考えました。AGタンパク質はクロマチンの構造を変化させるはたらきがあるCHROMATIN-REMODELING PROTEIN 11 (CHR11)やCHR17と複合体をつくるという過去の報告に注目しました。CHRもAGと同じようにYUC4遺伝子に直接結合して、発現のスイッチを入れるように作用することを発見しました。CHRは動植物を問わず存在するタンパク質であり、動物の相同タンパク質はDNAに巻きついているヒストンを移動させ、クロマチンの構造を開くようにはたらきます。私たちは、FAIREというクロマチンの構造を調べる実験手法によって、AGとCHRがYUC4遺伝子のクロマチンの構造を開くことを明らかにしました。AG、CHR、CRCの発現部位の結果と合わせ、転写因子AGとCHRの複合体がはじめにクロマチンの構造を開き、CRCをDNAにアクセス可能にするという順序を明確にすることに成功しました。
このクロマチン構造の変化によって、めしべができる部位でYUC4遺伝子が発現を開始します。するとオーキシンの合成、幹細胞の分裂停止、細胞壁の構築が行われ、めしべの形づくりが実行されていきます。
3. 波及効果
パイオニアとなる転写因子がクロマチンリモデリング因子と共にはたらいてクロマチンの構造を変え、次の転写因子が機能できるようにするという仕組みは動物では発見されていました。今回、植物にも同様の仕組みが存在し、めしべをつくるために必要であることを世界にさきがけて発見しました。複数の転写因子のはたらきを変化させることで、めしべからつくられる果実や種子の大きさや数など様々な要因を最適に人為調節できる可能性があり、食糧増産や安定供給が期待されます。
【研究プロジェクトについて】
本成果は日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金、科学技術振興会機構(JST)戦略的創造研究推進事業個人型研究(さきがけ）の支援を受けて行いました。
【掲載論文】
タイトル: Chromatin-mediated feed-forward auxin biosynthesis in floral meristem determinacy
著者: Nobutoshi Yamaguchia,b, Jiangbo Huangc, Yoshitaka Tatsumia, Masato Abea, Shigeo S. Suganob,d, Mikiko Kojimae, Yumiko Takebayashie, Takatoshi Kibaf, Ryusuke Yokoyamag, Kazuhiko Nishitanig, Hitoshi Sakakibarae, f, and Toshiro Itoa,*所属: a. 奈良先端科学技術大学院大学, b. JST さきがけ, c. シンガポール国立大, d. 立命館大学, e. 理化学研究所, f. 名古屋大学, g. 東北大学
掲載誌: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-018-07763-0
研究室ホームページ: http://bsw3.naist.jp/ito/
【用語解説】
めしべ: 被子植物の花にある雌性の生殖器官。受粉して実や種子になる。
転写因子: 遺伝子の発現をONやOFFにきりかえるタンパク質。DNA上の特定の塩基配列に結合し、 遺伝子の発現量を調節する。
DNA: 生物の遺伝情報を保持している物質。
ヒストン: 長いDNA を折りたたんで核内に収納するタンパク質。
クロマチン構造: DNAをヒストンに巻きコンパクトに核内に収納する構造。遺伝子発現制御においても重要な役割を持っている。
シロイヌナズナ: 遺伝子の解析を行うのに適したアブラナ科の1年草。
AGタンパク質: MADSボックスを持つ転写因子。
CRCタンパク質: YABBYドメインを持つ転写因子。
植物ホルモン: 植物の体内で作られ、成長を調節する低分子量有機化合物。
オーキシン: 器官の形成を促進するはたらきがある低分子量有機化合物。植物において器官形成を促すモルフォゲンと考えられており、形づくりを実行する。
YUC4遺伝子: オーキシンを合成する酵素をコードする遺伝子。
CHRタンパク質: DNAに巻きついているヒストンを移動させ、クロマチンの構造を開くようにはたらくクロマチンリモデリング因子。
FAIRE: クロマチンの構造を調べる実験手法。シグナルが高い場合は、クロマチンが開いていることを意味する。
細胞壁: 細胞膜の外側に位置する構造。細胞の改築・補強、防御など多くの役割を果たす。
Journal
Nature Communications