東大と理研、植物の高温に対する初期応答のメカニズムを解明

植物の高温に対する初期応答のメカニズムを解明
−作物の高温ストレス耐性を向上させる技術開発への貢献に期待−


１．　発表者：
　大濱直彦（東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命化学専攻　特任研究員）
　草壁　和也（東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命化学専攻　修士課程２年；研究当時）
　溝井　順哉（東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命化学専攻　講師）
　趙　慧美（東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命化学専攻　博士課程１年）
　小泉慎也（東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命化学専攻　博士課程２年）
　高橋史憲（国立研究開発法人理化学研究所　環境資源科学研究センター　研究員）
　石田哲也（東京大学生物生産工学研究センター　特任助教；研究当時）
　柳澤　修一（東京大学生物生産工学研究センター　准教授）
　篠崎　一雄（国立研究開発法人理化学研究所　環境資源科学研究センター　センター長）
　篠崎　和子（東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命化学専攻　教授）


２．　発表のポイント：
　◆植物の高温ストレスに対する初期段階の応答の制御機構を分子レベルで明らかにしました。
　◆高温ストレス応答を誘導するマスター転写因子（注１）の活性化の仕組みや、その転写因子の下流で働く多くの遺伝子群の発現制御の仕組みを明らかにしました。
　◆作物の高温ストレス耐性を向上させる技術開発への貢献が期待されます。


３．　発表概要：
　東京大学と理化学研究所の共同研究グループは、植物が高温ストレスに応答する仕組みを分子レベルで明らかにしました。
　植物は環境の変化に適応するため、状況に応じてさまざまな遺伝子を活性化します。特に高温ストレスに対する適応では、マスター転写因子であるHsfA１が活性化することで、熱ショックタンパク質（HSP、注２）や種々の転写因子の発現が起こります。しかし、高温ストレス時にHsfA１が活性化するメカニズムや、HsfA１の活性化だけで植物中で起こるすべての高温ストレス応答を引き起こすことができるのかは、分かっていませんでした。
　今回、篠崎和子教授らの共同研究グループは、HsfA１内のリージョン１と名付けた領域がHsfA１自身の活性を抑える働きを持つことを明らかにしました。リージョン１を取り除いたHsfA１（Δ１）は恒常的に高い活性を持ち、Δ１を多く作らせた植物は高い高温ストレス耐性を示しました。ただし、Δ１は高温ストレス応答を部分的にしか引き起こさないため、完全な高温ストレス応答の誘導にはHsfA１だけでなく、他にも必要な因子が存在することが示されました。
　この研究は、植物に効果的に高温ストレス耐性を付与する技術の開発に貢献すると期待されます。


４．　発表内容：
　高温ストレスは日周、年周の温度変化、熱波のように突発的な気象条件など、さまざまな要因で引き起こされる環境ストレスです。また、地球温暖化による気候の変動により、より頻繁に引き起こされる様になってきています。高温ストレスはタンパク質や細胞膜にダメージを与えることで、細胞活動に深刻な障害を起こします。高温ストレスにさらされた細胞では多数の防御遺伝子の発現が誘導されますが、この応答では熱ショック転写因子（HSF）が中枢制御因子として働くことが知られています。HSFは真核生物に保存された転写因子ですが、植物ではその種類が極めて多数存在しており、各HSFの機能が複雑に分化しています。共同研究グループは、これまでにこの多数のHSFのなかで、A１グループに分類されるHSF（HsfA１）が高温ストレス応答のマスター転写因子であることを明らかにしていました。HsfA１は常に少量存在しており、植物が高温ストレスを感知すると速やかに活性化されます。活性化したHsfA１は熱ショックタンパク質などの防御遺伝子に加え、他のHSFをはじめとする転写因子群の発現も誘導し、一気に高温ストレス応答を増幅します。しかし、高温ストレス時にHsfA１が活性化するメカニズムや、HsfA１の活性化だけで高温ストレス応答を引き起こすのに十分なのかは分かっていませんでした。

　今回、共同研究グループは、HsfA１タンパク質の活性制御領域の同定を試み、HsfA１自身の活性を抑えている領域を発見しました。この領域をリージョン１と名付けてさらに解析を進めると、リージョン１はストレスがない時にはHsfA１の活性を強く抑えますが、高温ストレス時にはその機能が弱まり、HsfA１の活性化につながることが分かりました。そのためリージョン１は、高温ストレスによって活性化するというHsfA１特有の仕組みを生み出す領域であると言えます。リージョン１の機能を植物体内で詳しく解析するため、全長のHsfA１（FL）、またはリージョン１を除いたHsfA１（Δ１）を多く作るシロイヌナズナ（それぞれFL植物、Δ１植物）を作出しました（図）。すると、Δ１植物ではFL植物よりもはるかに強く防御遺伝子であるHSP遺伝子群が発現しており、高温ストレス耐性も著しく向上していることがわかりました（図）。この結果は、リージョン１がHsfA１の活性を抑えるという考えを強く支持しています。
　さらに共同研究グループは、リージョン１を介してHsfA１と結合し、HsfA１の活性を抑えるタンパク質が存在するのではないかと予想し、HsfA１の相互作用タンパク質を探索しました。すると、リージョン１に結合するHsfA１活性抑制因子としてHSP７０が同定されました。HsfA１とHSP７０の結合は高温ストレス処理によって減少したことから、リージョン１によるHsfA１活性制御の実体は、リージョン１を介したHSP７０の結合とその解離であると考えられました。
　さまざまな植物のHsfA１のアミノ酸配列を比較すると、リージョン１のアミノ酸配列は非常に良く保存されています。その中でも特に保存性が高い部分については、新たな機能性領域としてTemperature−DependentRepressiondomain（TDRドメイン）と名付けました。その保存性から、リージョン１（TDRドメイン）とHSP７０によるHsfA１の活性制御は、植物の高温ストレス応答において普遍的な仕組みであると考えられます。

　これまでの高温ストレス応答の制御モデルでは、マスター転写因子であるHsfA１の活性化が応答全体を誘導する引き金になると考えられていました。そのため、Δ１植物では高温ストレス応答が常に活性化されているのではないかと予想し、Δ１植物のトランスクリプトーム（注３）を解析しました。すると興味深いことに、Δ１植物ではHSPの発現は強く活性化されているものの、転写因子の発現はほとんど変化していないことがわかりました。この結果から、HSPと転写因子は共にHsfA１の制御下にあるものの、その制御には違いがあると考えられます。転写因子は高温ストレス応答を促進する働きを持つため、過剰に作り出すと無駄な応答が起きてしまいます。必要十分なレベルで高温ストレス応答を誘導するために、転写因子の発現はHsfA１以外の因子も関与した、より厳密な仕組みによって制御されていると考えられます。

　リージョン１のアミノ酸配列の保存性から、本研究で明らかとなったHsfA１の活性制御機構はイネやダイズといった作物でも保存されていると考えられます。そのため、リージョン１とHSP７０の相互作用をターゲットとした阻害剤の開発や、リージョン１のアミノ酸配列に着目した育種などにより、地球温暖化に対応した高温ストレス耐性を向上させた作物の開発への応用が期待されます。


５．　発表雑誌：
　雑誌名：「The　Plant　Cell」（オンライン版：１２月２９日）
　論文タイトル：The　transcriptional　cascade　in　the　heat　stress　response　of　Arabidopsis　is　strictly　regulated　at　the　level　of　transcription　factor　expression
　著者：Naohiko　Ohama，Kazuya　Kusakabe，Junya　Mizoi，Huimei　Zhao，Satoshi　Kidokoro，Shinya　Koizumi，Fuminori　Takahashi，Tetsuya　Ishida，Shuichi　Yanagisawa，Kazuo　Shinozaki，Kazuko
　Yamaguchi−Shinozaki（＊）
　DOI番号：１０．１１０５／tpc．１５．００４３５
　アブストラクトURL：
　http://www.plantcell.org/content/early/2015/12/29/tpc.15.00435.abstract


７．　用語解説：
　（注１）転写因子：DNAに結合し、遺伝子の働きを調節するタンパク質。マスター転写因子は、その因子が関与する現象を引き起こす上で必須な役割を担っている転写因子を指す。

　（注２）HSP（Heat　shock　protein）：熱ショックタンパク質、分子シャペロンとも呼ばれる。高温ストレスなどによって構造が破壊されたタンパク質に結合し、構造を修復したり、破壊されたタンパク質同士が凝集するのを防いだりする働きを持つ。

　（注３）トランスクリプトーム：細胞中に存在する全mRNAの総体を指す。興味のある状況に細胞をおいたとき、どのようなカテゴリーに属する遺伝子のmRNAが蓄積または減少しているかを調べることで、細胞がどのような反応を起こしているのか調べることができる。


８．　添付資料：

　※添付の関連資料を参照