花がめしべづくりを開始するためのＤＮＡの折りたたみ構造変化を解明～食糧増産や安定供給に期待～

2018-12-11 奈良先端科学技術大学院大学,科学技術振興機構,東北大学,名古屋大学

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、山口暢俊　助教（兼任：ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業　さきがけ研究者）、立命館大学立命館グローバル・イノベーション研究機構　菅野茂夫　助教（兼任：ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業　さきがけ研究者）、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、花の中心部にあり、受粉して果実や種子になる「めしべ注１）」が形成されるときに、その形成に関わる遺伝子を働かせるスイッチ（遺伝子発現）がオンになる詳細な仕組みを世界に先駆けて明らかにしました。この成果により、人工的にめしべの大きさや数などが調節できるようになれば、環境に応じた食糧の増産や安定供給などが期待できます。

めしべをつくるためには、遺伝子発現のスイッチをオンにする複数の転写因子注２）（タンパク質）が働くことは分かっていました。このスイッチが入っていない状態では、遺伝子の本体である長いＤＮＡ注３）はタンパク質であるヒストン注４）に巻きつき、クロマチン注５）と呼ばれるＤＮＡが折りたたまれて閉じた構造を作ります。このため、転写因子は目標のＤＮＡにたどり着けず、めしべがつくられません。遺伝子発現のスイッチをオンにするためには、その構造をほどき、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働きかけ、その構造と遺伝子の発現を変化させていくのか？」について詳しい仕組みについては謎でした。

伊藤教授らの共同研究グループは、モデル植物のシロイヌナズナ注６）を使って実験を重ねた結果、最初の段階で転写因子（パイオニア転写因子）が、クロマチンの構造を変化させる因子（クロマチンリモデリング因子）と共に働いて、複雑な構造をほどくことを見いだしました。次いで別の転写因子がめしべ形成のＤＮＡに直接結合して発現させるという、２つの転写因子が連係する順序や仕組みを突き止めました。このような仕組みはこれまでは動物でのみ報告されており、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と解明したことは、植物の進化や生き残り戦略を知る上でも重要です。

本研究の成果は２０１８年１２月１１日付けで「ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」オンライン版に掲載されます。

本研究は日本学術振興会（ＪＳＰＳ）科学研究費補助金、科学技術振興機構（ＪＳＴ）戦略的創造研究推進事業個人型研究（さきがけ）の支援を受けて行われました。

＜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オンにする転写因子が働きます。この転写因子は遺伝子発現のオン、オフを切り替えて、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オフの状態では、長いＤＮＡはタンパク質であるヒストンに巻きついて、クロマチンと呼ばれるＤＮＡが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オンにするためには、その構造をほどき、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関わる転写因子が複数分かっていましたが、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働きかけて、その構造と遺伝子の発現を変化させていくのかについて、詳しい仕組みは未解明でした。

＜研究手法と成果＞

はじめに本研究グループは、モデル植物であるシロイヌナズナを用い、めしべをつくる機能がある転写因子ＡＧＡＭＯＵＳ（ＡＧタンパク質注７））とＣＲＡＢＳＣＬＡＷ（ＣＲＣタンパク質注８））に注目しました。ＡＧタンパク質が作用しないａｇ突然変異体では、めしべはできなくなることが分かっていたからです。また、ＣＲＣタンパク質が働かなくなった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。そこで、２つの突然変異体を用いて、遺伝子の発現を網羅的に解析したところ、ＡＧタンパク質とＣＲＣタンパク質のそれぞれ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。それらで調節される遺伝子の中に、植物ホルモン注９）の１つであるオーキシン注１０）を合成する働きがあるＹＵＣＣＡ４（ＹＵＣ４）遺伝子注１１）が含まれていました。

オーキシンは形づくりを実行する機能があるため、ＡＧタンパク質とＣＲＣタンパク質のＹＵＣ４遺伝子への発現の調節について調べたところ、ＡＧタンパク質とＣＲＣタンパク質がつくれない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分かりました。逆に、ＡＧタンパク質やＣＲＣタンパク質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タンパク質、ＣＲＣタンパク質のどちらも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タンパク質とＣＲＣタンパク質はどちらも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。

しかし、ＡＧタンパク質とＣＲＣタンパク質はどちらも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。またＡＧタンパク質とＣＲＣタンパク質の蓄積部位も完全には一致しませんでした。そのため、ＡＧタンパク質とＣＲＣタンパク質は１つの複合体を形成して同時にＹＵＣ４遺伝子の同じ位置付近に結合するのではなく、結合する順序があるのではないかと予想しました。ＡＧタンパク質はクロマチンの構造を変化させる働きがあるクロマチンリモデリング因子ＣＨＲＯＭＡＴＩＮ－ＲＥＭＯＤＥＬＩＮＧＰＲＯＴＥＩＮ１１（ＣＨＲ１１）やＣＨＲ１７と複合体をつくるというこれまでの報告に注目して調べたところ、さらにＣＨＲタンパク質注１２）も、ＡＧタンパク質やＣＲＣタンパク質と同じように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タンパク質は動植物を問わず存在するタンパク質であることが知られており、動物の相同タンパク質（同じ祖先遺伝子に基づく類似したタンパク質）では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働きます。そこで本研究グループは、クロマチンの構造を解析する実験手法「ＦＡＩＲＥ注１３）」を用いて、ＡＧタンパク質とＣＨＲタンパク質がＹＵＣ４遺伝子を含むクロマチンの構造をほどくことを明らかにしました。さらに、ＡＧ、ＣＨＲ、ＣＲＣそれぞれのタンパク質がクロマチンに作用する順番を調べたところ、ＡＧタンパク質とＣＨＲタンパク質の複合体がはじめにクロマチンに作用してそのＤＮＡの構造を開き、ＣＲＣタンパク質をＤＮＡにアクセス可能にする順序を明確にすることに成功しました（図１）。

このような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。そのあと、オーキシンの合成、幹細胞の分裂停止、細胞壁注１４）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（図２）。

＜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働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仕組みは動物では見つかっていましたが、今回、本研究グループは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先駆けて発見しました。また、複数の転写因子の働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さまざま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。

＜参考図＞

図１　めしべの形づくりとクロマチン構造

めしべの形づくりが進むにつれて、転写因子の働きによってＹＵＣ４遺伝子のクロマチンの構造が開く。するとめしべがつくられる。

図２　野生型とｃｒｃ変異を持つめしべ原基での細胞分裂と細胞壁の様子

分裂停止が起こっている野生型と分裂停止が起こっていないｃｒｃ変異体を用いて、細胞分裂と細胞壁の観察を行った。

（Ａ）細胞分裂を観察した写真。分裂活性が高い部分が青くなっている。Ａの実験結果から、ｃｒｃ変異体では細胞分裂が盛んな様子が分かる。

（Ｂ）細胞壁を観察した写真。細胞を取り囲む細胞壁が緑色になっている。Ｂの実験結果から、ｃｒｃ変異体では細胞壁の構築が適切に行われていない様子が分かる。

＜用語解説＞

注１）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。
注２）転写因子: 遺伝子の発現のオン、オフを切り替えるタンパク質。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。
注３）ＤＮＡ: 細胞の核内で長い鎖状の２重らせん構造を形成し、生物の遺伝情報を保持している物質。
注４）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。
注５）クロマチン: 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。
注６）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。
注７）ＡＧタンパク質: 花の器官分化などに関わり、ＭＡＤＳボックスと呼ばれるＤＮＡ結合領域を持つ転写因子。
注８）ＣＲＣタンパク質: めしべの形成や、花の幹細胞の増殖抑制などに関わり、コードする遺伝子にＹＡＢＢＹドメイン領域を持つ転写因子。
注９）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。
注１０）オーキシン: 器官の形成を促進する働きがある低分子量有機化合物。
注１１）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。
注１２）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働くクロマチンリモデリング因子。
注１３）ＦＡＩＲＥ: クロマチンの構造を調べる実験手法。増幅したＤＮＡの量が多い場合には、クロマチンが開いていることを意味する。
注１４）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。

＜掲載情報＞

タイトル：“Chromatin-mediated feed-forward auin biosynthesis in floral meristem determinacy”

著者：Nobutoshi Yamaguchi, Jiangbo Huang, Yoshitaka Tatsumi, Masato Abe, Shigeo S. Sugano, Mikiko Kojima, Yumiko Takebayashi, Takatoshi Kiba, Ryusuke Yokoyama, Kazuhiko Nishitani, Hitoshi Sakakibara, and Toshiro Ito* *責任著者

ＤＯＩ：10.1038/s41467-018-07763-0