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基礎生物学研究所

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2018.05.15

植物細胞内の交通事情から探る生命の普遍性と多様性 〜植物の新たな膜交通制御の仕組みを発見〜

地球上の生命は全て「細胞」で構成されており、細胞が行う活動には生物種を通じて共通性がみられます。例えば、細胞は生命活動を支えるタンパク質を作り、作られたタンパク質を細胞内に正しく輸送し配置するという活動を行っています。この活動は動物、菌類、植物などの全ての生物種においてみられます。しかし、全ての細胞が同じタンパク質のセットを持っているわけではなく、タンパク質を必要な場所に輸送する仕組みも生物によって異なっていることが分かってきました。基礎生物学研究所細胞動態部門の上田貴志教授と国際基督教大学の伊藤瑛海特任助教らの研究グループは、理化学研究所光量子工学研究センターの中野明彦副センター長、お茶の水大学の植村知博准教授らと共同で、植物が進化の過程でどのようにして独自の体制やライフスタイルを構築してきたのかを細胞レベルで明らかにするべく、植物を特徴付ける細胞小器官である液胞にタンパク質を輸送する仕組みの研究を行ってきました。その結果、ARA6とPUF2という植物にしか存在しないタンパク質が、動物や菌類にも存在するRAB5(保存型RAB5)というタンパク質のはたらきを抑制したり、促進したりすることで、液胞へのタンパク質の輸送を厳密にコントロールしていることを見いだしました。つまり、植物は独自の制御因子を生み出すことで、他の生物と共通の細胞活動に多様性を持たせることに成功したのです。本研究は基礎生物学研究所の個別共同利用研究として行われ、成果は2018年5月12日付で英国オンライン科学誌eLifeに掲載されました。
 
【研究の背景】
真核生物の細胞は、膜により役割のことなる区画に分けられています。これらは細胞小器官と呼ばれ、まさに細胞のなかの“臓器”としてはたらきます。例えば、植物の液胞や動物のリソソームは細胞の“消化器官”で、細胞が取り込んだタンパク質や脂質、細胞内の不要物を分解します。細胞小器官が正しくはたらくには、細胞内で作られたタンパク質がそれぞれの細胞小器官に正しく配置される必要があります。この仕組みは「膜交通」と呼ばれる輸送の仕組みにより行われています。前述の液胞やリソソームには膜交通によりタンパク質の一種である分解酵素が運ばれ、これにより消化器官としての役割を果たすことができるのです。

膜交通は動物、菌類、植物など全ての真核生物に共通の細胞活動です。膜交通の仕組みではいくつかの進化的に保存されたタンパク質群がはたらいており、RAB GTPaseはそのひとつです。RAB GTPaseは「ON」と「OFF」の状態を取ることができる分子スイッチで、「ON」の状態の時にエフェクターと呼ばれるタンパク質と結合することにより膜交通を制御します(図1)。このような仕組みは動物や酵母の細胞を実験材料とした研究により明らかになりましたが、植物細胞でRAB GTPaseやエフェクターがどのようにはたらくかはよくわかっていませんでした。動物細胞で見つかったRAB GTPaseのエフェクタータンパク質のほとんどが、植物には存在しないためです。

また植物には、真核生物に共通に存在するRAB GTPase(例えば保存型RAB5)に加えて、動物や菌類には存在しない植物固有タイプのRAB GTPase(ARA6)を持つという特徴があります。植物は他の真核動物とは異なるRAB GTPaseやエフェクターを進化の過程で獲得することで、膜交通という生命に普遍的な仕組みに多様性を与えていると考えられます。
 
fig1.jpg 図1:膜交通におけるRAB GTPaseとエフェクターのはたらきの一例
 
【研究の成果】
この研究の最大の成果は、植物にのみ存在するRAB GTPaseであるARA6と協調してはたらくエフェクターを初めて明らかにしたことです。今回の研究ではまず、ARA6のエフェクターとしてPUF2を同定しました。PUF2もまた植物にのみ存在するタンパク質でした。PUF2のはたらきを詳しく調べたところ、PUF2が保存型RAB5とARA6の双方を活性化するVPS9aタンパク質をエンドソーム膜表面に呼び寄せるはたらきを持っていることが分かりました。またPUF2はスイッチがOFFの状態の保存型RAB5とも結合し、これをVPS9aとともにエンドソーム膜に集合させることで、保存型RAB5の活性化を促進することもわかりました。一方ARA6がPUF2に結合すると、保存型RAB5はPUF2に結合できなくなり、活性化が抑制されるためそのはたらきが抑えられることが分かりました。つまり、ARA6はPUF2を捕捉することにより、保存型RAB5により制御される真核生物に普遍的に存在する液胞への輸送をブロックするのです。
 
fig2.jpg 図2:PUF2が液胞輸送を制御する仕組み
 
【今後の展望】
今回の研究から、植物にのみ存在するARA6とPUF2が、保存型RAB5により制御される真核生物に普遍的な膜交通経路を精密に調節することが明らかになりました。今回見つかったこのような膜交通制御の仕組みは、動物や菌類など他の生物では知られていません。今回の研究により、植物が独自の制御タンパク質を獲得することにより、独自の膜交通システムを進化させた一例を具体的な分子メカニズムと共に示すことができました。今後は、このような細胞レベルでの膜交通の多様化が植物の進化にどのように関わったのかを明らかにすることで、膜交通の多様化と進化の意義をさらに理解することが出来ると期待されます。
 
【発表雑誌】
雑誌名 eLife
掲載日 2018年5月12日
論文タイトル: Integration of two RAB5 groups during endosomal transport in plants
著者:Emi Ito, Kazuo Ebine, Seung-won Choi, Sakura Ichinose, Tomohiro Uemura, Akihiko Nakano and Takashi Ueda
DOI: 10.7554/eLife.34064.002
 
【研究グループ】
本研究は、基礎生物学研究所の上田貴志教授、海老根一生助教、国際基督教大学の伊藤瑛海特任助教、崔勝媛プロジェクト推進研究員、一瀬さくら氏、理化学研究所光量子工学研究センターの中野明彦副センター長、お茶の水大学の植村知博准教授による研究グループの成果です。
 
【研究サポート】
本研究は、日本学術振興会(2010649)、若手研究(B)(15K18527、17K15144)、新学術領域「植物細胞壁の情報処理システム」(24114003)、科学技術振興機構PRESTO(JPMJPR11B2)、基盤研究(B)(15H04382)、基盤研究(S)(25221103)、三菱財団、山田科学振興財団、加藤記念バイオサイエンス振興財団、科学技術人材育成のコンソーシアムの構築事業、基礎生物学研究所個別共同利用研究(16-339, 17-302, 18-302)

【本研究に関するお問い合わせ先】
基礎生物学研究所 細胞動態部門
教授 上田 貴志 (うえだ たかし)
TEL: 0564-55-7530
E-mail: tueda@nibb.ac.jp
 
国際基督教大学 アーツサイエンス学科
自然科学デパートメント
特任助教 伊藤 瑛海(いとう えみ)
TEL: 0422-33-3244
E-mail: itoemi@icu.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