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2013年09月16日
植物の成長に必要な糖タンパク質をつくりだす酵素を発見 -50年来の謎を解明-

 植物の細胞を取り囲む細胞壁中には、動物には存在しない特殊な糖鎖構造を持つ糖タンパク質が多数存在することが1960年代より知られていました。これらの糖タンパク質には、細胞壁形成時の足場や補強剤としての役割を果たすものや、細胞間で情報を伝えるホルモンとして機能するものなど、植物の成長に極めて重要な分子群が含まれます。これまでにこれらの糖タンパク質にはアラビノースという糖が鎖状に連なって付加していること、および、糖鎖が付加することによってはじめてタンパク質のかたちが正しく維持されることが明らかにされていましたが、アラビノースをタンパク質に付加させるのに必要な酵素は未だ見つかっていませんでした。

 

 今回、基礎生物学研究所(細胞間シグナル研究部門)の松林嘉克教授と大西真理研究員らは、シロイヌナズナの細胞に微量含まれるこの酵素を精製・同定することに世界で初めて成功しました。シロイヌナズナにはこの酵素をコードする遺伝子が3個ありましたが、遺伝子操作によりこれらが働かないようにした植物体では、細胞壁が薄くやわらかくなったり、受精が妨げられて種子ができなくなるなど、成長に様々な異常が生じることが分かりました。植物の成長における糖タンパク質群の重要性を直接的に示した初めての例です。これらの遺伝子の働きをうまく調節すれば、今後やわらかい食感の野菜や果物を作り出すなどの応用が可能になるかもしれません。

 

 この成果は、9月15日に米国科学誌Nature Chemical Biology電子版に掲載されました。

 

【研究の背景】

 1967年、それまでセルロース繊維からのみ構成されていると考えられていた細胞壁中に、特殊な糖鎖構造を持つ糖タンパク質が多数含まれていることが発見されました。それ以降、これらの糖タンパク質には、細胞壁形成時の足場や補強剤としての役割を果たすものや、細胞間で情報を伝えるホルモンとして機能するものなど、植物の成長に極めて重要な分子群が含まれることが次々と明らかになりました。これらの糖タンパク質にはアラビノースという糖がヒドロキシプロリンというアミノ酸に鎖状に連なって付加しています(図1)。アラビノースが付加すると、その独自の構造のためにタンパク質の自由な折れ曲がりが制限され、タンパク質がある一定のかたちを保ったまま本来の機能を発揮できるようになることが知られています。1980年代に入って、アラビノースをタンパク質に付加させるのに必要な酵素(Hydroxyproline O-arabinosyltransferase: HPAT)を見つけ出す研究が行なわれましたが、取り出すのが困難な膜タンパク質であるためにその精製は難しく、現在に至るまで誰も成功していませんでした。

 

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図1.タンパク質に付加したアラビノース糖鎖

 

【研究の成果】

 今回、細胞間シグナル研究部門の松林嘉克教授と大西真理研究員らは、アラビノース糖鎖が付加されることがあらかじめ分かっているタンパク質断片を固定化したカラムを用いたアフィニティークロマトグラフィーという方法で、シロイヌナズナの細胞に微量含まれるこの酵素を、精製・同定することに成功しました。この酵素は、細胞内でつくられたタンパク質を細胞外へ分泌する際の通り道になるゴルジ体という小器官の膜に存在していました。シロイヌナズナにはこの酵素をコードする遺伝子が3個ありましたが、遺伝子操作によりこれらの働きを抑えた植物体(hpat変異株)では、アラビノース糖鎖が付加したタンパク質の量が顕著に減少するとともに、細胞壁が薄くやわらかくなったり、花が早く咲いたり、受精が妨げられて種子ができなくなるなど、成長に様々な異常が生じることが分かりました(図2)。

 

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図2.アラビノース糖鎖付加を抑制した植物体の形態

 

【本研究の意義と今後の展開】

 本研究は、植物の成長におけるアラビノース付加糖タンパク質群の重要性を直接的に示した初めての例でもあります。アラビノース付加ができないhpat変異株の示す特徴的な形態は、100種類を超えると推定される様々なアラビノース付加糖タンパク質群が、どこでどのような機能を担っているかを知る上で重要な手がかりになります。

 また、今回の研究によって、マメ科植物で過剰に根粒を形成する変異株の原因遺伝子として見つけられていながら、生化学的な機能が分かっていなかったNOD3/RDN1という重要な遺伝子が、アラビノース付加酵素そのものをコードしていることが示されました。このことは、根粒形成の抑制シグナルがアラビノース付加された糖ペプチドであったという最近の成果(8月12日プレスリリース参照)を見事に裏付けるものです。

 今後、アラビノース付加酵素の働きをうまく調節することで、やわらかい食感の野菜や果物を作り出すなどの応用が可能です。また、ヒトの抗体など付加価値の高いタンパク質を植物細胞で生産する試み(モレキュラーファーミング)が進んでいますが、今回の発見により、この際に問題となっていた植物特有の糖鎖付加によるタンパク質機能の低下を抑えることが可能になります。

 

【掲載誌情報】

Nature Chemical Biology(ネイチャーケミカルバイオロジー)

2013年9月15日付け掲載

論文タイトル:“Identification of three hydroxyproline O-arabinosyltransferases in Arabidopsis thaliana

著者: Mari Ogawa-Ohnishi, Wataru Matsushita and Yoshikatsu Matsubayashi*

 

【研究サポート】

本研究は,文部科学省科学研究費助成事業(基盤研究(S))および先端研究助成基金助成金(最先端・次世代研究開発支援プログラム)のサポートを受けて行なわれました。

 

【本研究に関するお問い合わせ先】

基礎生物学研究所 細胞間シグナル研究部門

教授: 松林 嘉克(マツバヤシ ヨシカツ・本研究の責任著者となります)

TEL: 0564-55-7530

FAX: 0564-55-7531

E-mail: ymatsu@nibb.ac.jp

 

【報道担当】

基礎生物学研究所 広報室

TEL: 0564-55-7628

FAX: 0564-55-7597

E-mail: press@nibb.ac.jp