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植物の高次機能を支えるオルガネラ形成と機能発現の仕組み
 

発芽後のシロイヌナズナ子葉の電子顕微鏡写真。
挿入図はGFPにペルオキシソーム輸送シグナル（PTS1: Peroxisome targeting signal 1）を融合させて可視化させたペルオキシソーム（上の写真）と、オイルボディ膜のタンパク質であるオレオシンをGFPに融合させて可視化させたオイルボディ（下の写真）。Mt; ミトコンドリア、N; 核、Ob; オイルボディ、P; ペルオキシソーム、V; 液胞。

種子が発芽して成長し、次世代のために再び種子を残してやがて枯れるという植物の営みには、オルガネラ（細胞小器官）の機能と形態の変動が伴っている。オルガネラは、細胞の成長や分化だけでなく、植物の生育環境に応答して、機能や数、形、大きさを変化させる。こうした柔軟なオルガネラの動的変動が、環境と一体化して生きている植物の高次機能を支えている。私たちは、分子から細胞、植物個体に至る様々な階層での解析から、オルガネラ形成や機能発現がどのように制御され、それが植物の高次機能をどのように支えているのかに興味をもって研究を行っている。

植物ペルオキシソームの形成機構と機能発現

ペルオキシソームは、植物や動物、酵母など真核細胞に存在するオルガネラで、植物では脂肪酸代謝や光呼吸、ジャスモン酸の生合成、活性酸素種の除去など様々な機能をもつ。これらの機能が低下すると種子の発芽不全、植物個体の矮性化、配偶体の認識異常などを引き起こすことから、ペルオキシソームの機能が、植物の一生を通じて必要であることが明らかとなっている。ペルオキシソームが正常な機能を発揮するには、遺伝子発現に加え、ペルオキシソームへのタンパク質輸送、他のオルガネラとの相互作用、ペルオキシソーム内部でのタンパク質分解、ペルオキシソーム自身の分解による品質管理等、様々な制御が必要であるが（図1、文献1,2）、その分子機構は完全には解明されていない。私たちは、ペルオキシソーム形成と機能発現に関わる因子の同定と、それらの制御機構についてモデル植物のシロイヌナズナやゼニゴケに加え、非モデル植物を使って研究している。
 

図1. ペルオキシソームタンパク質輸送におけるユビキチンシステム
(A) ペルオキシソームタンパク質レセプターのPEX5やPEX7は、ペルオキシソーム内で積荷タンパク質を離した後、ペルオキシソームからサイトソルへと輸送され、次のタンパク質輸送に関わる。このペルオキシソームからのレセプターの輸送にユビキチンシステムが必要である。(B) 我々が単離したapem変異体のうち、apem4、apem7、apem9はユビキチン因子の変異体であり、サイトソルでGFPが検出される。(C) apem7変異体では、親株のGFP-PTS1と異なり、ユビキチンが結合したPEX4が検出され、ペルオキシソーム膜上のユビキチン化が異常になっている。

種子における貯蔵物質の集積機構

種子は、多量の脂質やタンパク質、糖質を蓄積する。このうち、脂質は小胞体由来のオルガネラであるオイルボディに、タンパク質は液胞由来のオルガネラであるプロテインボディに蓄積する。植物は、これらの貯蔵物質を発芽や発芽直後の生長のエネルギーとして利用する。貯蔵物質の蓄積量や組成は植物の種類によって異なり、その生合成の制御機構も異なっている。私たちは、様々な植物における貯蔵物質の合成と蓄積、および分解機構の解明に取り組んでいる（図2、文献3,6）。
 

図2. 種子貯蔵タンパク質の3’UTRを利用した外来タンパク質の蓄積
(A) 大腸菌には様々なタンパク質が存在するのに対し、シロイヌナズナ種子には主に12Sグロブリンと2Sアルブミンが蓄積している。これら貯蔵タンパク質遺伝子の3’UTRに遺伝子発現を促進する機能があり、種子では本来発現していないペルオキシソームのリンゴ酸脱水素酵素 (MDH) に12S1遺伝子由来の3’UTRを繋げるとその蓄積が著しく増加する (B, C)。

植物用Gateway vectorの開発

Gateway技術を利用した植物研究に有用なDestination vectorを開発し、国内外の植物研究者に利用してもらっている（文献4,5）。

植物オルガネラ画像データベースの構築

植物オルガネラ研究の基盤整備として、The Plant Organelles Database 3（PODB3）を運営している。PODB3には、全国の植物研究者から提供された植物オルガネラの静止画や動画、電子顕微鏡写真、実験プロトコールが収集されている。さらに、一般の方向けのサイト「植物オルガネラワールド」も公開している。

オルガネラの可視化やタンパク質相互作用、植物用Gateway vectorの開発についての共同研究を進めています。また、植物オルガネラデータベース (PODB3; Plant Organelles Database 3, http://podb.nibb.ac.jp/Organellome/) を、当研究所の情報管理解析室と共同で構築・運営しています。こちらへのデータの登録や利用についてもご相談下さい。

【先端バイオイメージング支援プラットフォーム】

先端バイオイメージング支援プラットフォーム (ABiS; Advanced Bioimaging Support, https://www.nibb.ac.jp/abis/)は、科研費課題を支援する目的として、平成28年度より発足した新学術領域研究 学術研究支援基盤形成の一つです。ABiSでは、基礎生物学研究所と生理学研究所を中核機関としたネットワークを構築し、先端機器・先端技術を用いたイメージング支援を行っています。ABiSの基生研事務局を担当しています。支援についてのご相談、ご質問がありましたら、お気軽にお問い合わせ下さい。

• Annual Report 2021（PDF）
• 要覧 2022年 (PDF)

1. Mano, S., Hayashi, Y., Hikino, K., Otomo, M., Kanai, M., and Nishimura, M. (2022). Ubiquitin-conjugating activity by PEX4 is required for efficient protein transport to peroxisomes in Arabidopsis thaliana. J. Biol. Chem. 298, 102038.

2. Goto-Yamada, S., Oikawa, K., Yamato, T.K., Kanai, M., Hikino, K., Nishimura, M., and Mano, S. (2022). Image-based analysis revealing the molecular mechanism of peroxisome dynamics in plants. Front. Cell Dev. Biol. 10, 883491.

3. Kanai, M., Yamada, T., Hayashi, M., Mano, S., and Nishimura, M. (2019). Soybean (Glycine max L.) triacylglycerol lipase GmSDP1 regulates the quality and quantity of seed oil. Sci. Rep. 9, 8924.

4. Mano, S., Nishihama, R., Ishida, S., Hikino, K., Kondo, M., Nishimura, M., Yamato, T.K., Kohchi, K., and Nakagawa, T. (2018). Novel gateway binary vectors for rapid tripartite DNA assembly and promoter analysis with various reporters and tags in the liverwort Marchantia polymorpha. PLOS ONE 13, e0204964.

5. Kamigaki, A., Nito, K., Hikino, K., Goto-Yamada, S., Nishimura, M., Nakagawa, T., and Mano, S. (2016). Gateway vectors for simultaneous detection of multiple protein−protein interactions in plant cells using bimolecular fluorescence complementation. PLOS ONE 11, e0160717.

6. Kanai, M., Mano, S., Kondo, M., Hayashi, M., and Nishimura, M. (2016). Extension of oil biosynthesis during the mid-phase of seed development enhances oil content in Arabidopsis seeds. Plant Biotechnol. J. 14. 1241-1250.