植物分子遺伝学・年報(2020年度)

京都大学大学院 理学研究科 生物科学専攻 植物学教室・年報（2020 年度）

研究内容の概略

1. 光合成電子伝達の調節に関する研究

(1)葉緑体プロトン駆動力制御の研究

光化学系 I サイクリック電子伝達は半世紀以上前に発見されたが、その生理機能は不明であった。シロイヌナズナの変異株の解析から、高等植物では、PGR5タンパク質に依存する経路とNDH複合体に依存する経路が存在し、特にPGR5依存経路は、光合成と葉緑体を過剰な光から守る反応に重要な役割を果たすことが明らかになった(図1)。サイクリック電子伝達は、葉緑体チラコイド膜を介したプロトン駆動力の大きさを調節するが、さらにプロトン駆動力の成分（プロトン濃度勾配と膜電位）を調節する装置や光合成に必須な微量金属の恒常性維持について研究を行っている。

figure 1
図1 光化学系 I サイクリック電子伝達を完全に欠く二重突然変異体は正常に生育できない
野生型(WT)とPGR5経路変異株(pgr5)、NDH経路変異株(crr2-2, crr3, crr4-2)、PGR5経路とNDH経路両方を欠く二重突然変異体(crr2-2 pgr5, crr3 pgr5, crr4-2 pgr5)。

(2) NDH複合体の構造、機能、進化、アセンブリーの解析

NDH複合体はシアノバクテリアに由来し、葉緑体で光化学系 I サイクリック電子伝達を触媒する。我々は、NDH複合体のサブユニット遺伝子の発現調節および複合体アセンブリーに関する研究を行っている。また陸上植物の進化の過程で、構造と機能の変化の相関を研究している。

2. 葉緑体遺伝子発現調節機構の解明

葉緑体は独自のゲノムを持つオルガネラであるが、その遺伝子発現調節は、核コード遺伝子が行なっている。我々はクロロフィル蛍光イメージングの手法で、葉緑体遺伝子発現調節が異常な変異株を多数単離、解析してきた(図2)。遺伝子発現調節の主役を担うのが配列特異的なRNA結合活性を持つPPRタンパク質である。我々はPPRタンパク質によるRNA編集、RNA安定化、翻訳制御の分子機構、生理機能の解明を目指して研究を行っている。
トウモロコシなどのC4植物は、細胞によって異なる葉緑体を作ることで、効率の良い光合成を実現している。そのためには、葉緑体遺伝子の組織特異的発現の必要がある。我々は、その分子機構の解明を目指している。

3. 植物ミトコンドリアや葉緑体のRNA編集機構

陸上植物のミトコンドリアと葉緑体のRNA編集はRNA配列上の特定のシチジン(C)がウリジン(U)へと変換するもので、正常なオルガネラタンパク質の機能発現に不可欠である。これまで編集されるCを特異的に認識するPPRタンパク質や数十カ所のRNA編集部位に関与するMORFタンパク質など数々のRNA編集因子を同定してきた。現在はPPRタンパク質のC末端に存在し、RNA編集の酵素活性を担うDYWドメインの詳しい機能解析を行うと共に、それぞれのタンパク質因子がRNA編集にどのように関与しているのか解析を進めている(図2)。またこれらの因子を組み合わせることにより、植物RNA編集複合体のin vitroでの再構築を目指している。

figure 2

図2 植物オルガネラのRNA編集複合体のモデル
PPRタンパク質は編集されるシチジン(C)の5‘側の配列を認識して結合する(上)。もう一つのPPRタンパク質はC末側にデアミナーゼ様配列DYWドメインを持つ(下)。MORFタンパク質は、2つのPPRタンパク質の橋渡しをする。

4. 植物幹細胞の分化、増殖を制御する仕組みにせまる

植物の幹細胞とはどういうものなのか？未分化な状態とは何であるのか？分化能の獲得・維持はどのように制御されているのか？これらは、植物の発生を理解する上で重要な問題であるが、分子レベルでの解明にはほとんど至っていない。植物幹細胞の分化、増殖の制御に関わる遺伝子を単離同定し、解析している。

NOV遺伝子は、植物特異的な新規核タンパク質をコードし、オーキシンを介した細胞分化・器官形成、幹細胞維持などに関わる。NOVが遺伝子発現制御に関わることを明らかにしている。CUV遺伝子は、パン酵母からヒト、植物に広く保存されているスプライシング因子Prp16オーソログをコードする。CUVが、オーキシン生合成や極性輸送、受容、応答に関わる遺伝子の発現を遺伝子特異的、組織特異的に促すこと、オーキシンを介した根端分裂組織の維持などに関わることを明らかにしている。また、葉の発生過程でオーキシンの局所的な生合成が葉脈形成の鍵になっていることを発見した。

幹細胞の未分化状態の維持についての研究は多いが、喪失に着目した研究はほとんどない。植物幹細胞の未分化状態の解除に関わる新規遺伝子として、VAHを同定している。VAHは、複数のWOX遺伝子の発現を負に制御する。幹細胞領域の制限に関わる。VAHは、植物の再生過程においても機能することを明らかにしている。VAHタンパク質と相互作用する因子を分子生化学的に同定している。また、vah変異体の表現型を分子生化学的に解析している。これらから、幹細胞らしさを制御する仕組みの一端を明らかにしたい。

5.葉緑体やミトコンドリアがもつ“染色体”のダイナミズム

葉緑体やミトコンドリアには独自のゲノム「葉緑体／ミトコンドリアゲノム」が存在している。葉緑体／ミトコンドリアゲノムは多様なタンパク質と結合することで「核様体」を形成している。葉緑体／ミトコンドリア核様体は、細胞核における染色体の様に、葉緑体／ミトコンドリアDNAの複製、修復、遺伝子発現、遺伝の機能的中枢であり、光合成や呼吸をはじめとした生命活動の中枢を支えている。
私たちは、これら葉緑体／ミトコンドリア核様体の構造、機能、進化に迫りたいと考えている。

(1)母性遺伝

葉緑体やミトコンドリアDNAは、ヒトを含む多くの生物において母親のみから子孫へと伝えられる。この母性遺伝といわれる現象は、父親由来の葉緑体／ミトコンドリア核様体が受精／接合後に未知の機構によって積極的に破壊されることで引き起こされる。私たちは緑藻クラミドモナスや菌類クリプトコッカスなどをモデルとした遺伝学・細胞学・分子生物学的解析によって、この未知の機構を明らかにしようとしている。

(2)葉緑体核様体の形と機能

葉緑体やミトコンドリア核様体は、細胞周期や植物の発達段階に応じてその形態をダイナミックに変化させる。我々は核様体の形態制御機構を明らかにすることで、葉緑体／ミトコンドリアゲノムの複製・修復、転写や遺伝の分子機構および進化を理解したいと考えている。

figure 3
図3 クラミドモナスの母性遺伝
(A, B) SYBR Green Iで接合子のDNAを標識し、経時的に母性遺伝の様子を追った。核(緑色, N)と葉緑体のクロロフィル自家蛍光(赤色)と核様体(黄色)。接合直後(A)は雄雌両方の葉緑体に核様体が存在するが、時間と共に雄由来の葉緑体の核様体が消失している(B)。

最近の主な発表論文

  1. Higashi, H., Kato, Y., Fujita, Y., Iwasaki, S., Nakamura, M., Nishimura, Y., Takenaka, M., Shikanai, T. (2021) The pentatricopeptide repeat protein PGR3 regulates the translation of petL and ndhG by binding their 5’UTRs. Plant Cell Physiol in press.
  2. Yamamoto, H., Sato N., Shikanai, T. (2021) Critical role of NdhA in the incorporation of the peripheral arm into the membrane-embedded part of the chloroplast NADH dehydrogenase-like complex. Plant Cell Physiol in press.
  3. Takusagawa, M., Kobayashi, Y., Fukao, Y., Hidaka, K., Endo, M., Sugiyama, H., Hamaji, T., Kato, Y., Miyakawa, I., Misumi, O., Shikanai, T., Nishimura, Y. (2021) HBD1 protein with a tandem repeat of two HMG box domains is a DNA clip to organize chloroplast nucleoids in Chlamydomonas reinhardtii. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, in press.
  4. Kneuper, I., Teale, W., Dawson, J., Tsugeki, R., Katifori, E., Palme, K., Ditengou, F. A. (2021) Auxin biosynthesis and cellular efflux act together to regulate leaf vein patterning. J. Exp. Bot., 72, 1151-1165.
  5. Basso, L., Yamori, W., Szabo, I., Shikanai, T. (2020) Collaboration between NDH and KEA3 allows maximally efficient photosynthesis after a long dark adaptation. Plant Physiol 184, 2078–2090.
  6. Okegawa, Y., Basso, L, Shikanai T., Motohashi, K. (2020) Cyclic electron transport around photosystem I contributes to photosynthetic induction with Thioredoxin f. Plant Physiol 184, 1291–1302.
  7. Yamamoto, H., Shikanai, T. (2020) Does the Arabidopsis proton gradient regulation 5 mutant leak protons from the thylakoid membrane? Plant Physiol 184, 421–427.
  8. Nishimura, Y., Shikanai, T., Kawamoto, S., Toh-e, A. (2020) Step-wise elimination of α-mitochondrial nucleoids and mitochondrial structure as a basis for the strict uniparental inheritance in Cryptococcus neoformans. Sci Rep 10, 2468.
  9. Small, I., Schallenberg-Rüdinger, M., Takenaka, M., Mireau, H., Ostersetzer-Biran, O. (2020) Plant organellar RNA editing: what 30 years of research has revealed. Plant J. 101,1040–1056.
  10. Wang, C., Shikanai, T. (2019) Modification of activity of the thylakoid H+/K+ antiporter KEA3 disturbs ∆pH-dependent regulation of photosynthesis. Plant Physiol 181, 762-773.
  11. Ishibashi, K., Small, I., Shikanai, T. (2019) Evolutionary model of plastidial RNA editing in angiosperms presumed from genome-wide analysis of Amborella trichopoda. Plant Cell Physiol 60, 2141-2151.
  12. Mermod, M., Takusagawa, M., Kurata, T., Kamiya, T, Fujiwara, T., Shikanai, T. (2019) SQUAMOSA promoter-binding protein-like 7 mediates copper deficiency response in the presence of high nitrogen in Arabidopsis thaliana. Plant Cell Rep 38, 835-846.
  13. Nakano, H., Yamamoto, H., Shikanai, T. (2019) Contribution of NDH-dependent cyclic electron transport around photosystem I to the generation of proton motive force in the weak mutant allele of pgr5. Biochim. Biophys. Acta Bioenergetics 1860, 369-374.
  14. Yamamoto, H., Shikanai, T. (2019) PGR5-dependent cyclic electron flow protects PSI under fluctuating light at donor and acceptor sides. Plant Physiol. 179, 588-600.
  15. Kato, Y., Odahara, M., Fukao, Y., Shikanai, T. (2018) Stepwise evolution of supercomplex formation with photosystem I is required for stabilization of chloroplast NADH dehydrogenase-like complex: Lhca5-dependent supercomplex formation in Physcomitrella patens. Plant J. 96, 937-948.
  16. Wang, C., Takahashi, H., Shikanai, T. (2018) PROTON GRADIENT REGULATION 5 contributes to ferredoxin-dependent cyclic phosphorylation in ruptured chloroplasts. Biochim. Biophys. Acta Bioenergetics 1859, 1173-1179.
  17. Kamimura, Y., Tanaka, H., Kobayashi, Y., Shikanai, T., Nishimura, Y. (2018) Chloroplast nucleoids as a transformable network revealed by live-imaging with a microfluidic device. Communications Biology 1, 47.
  18. Araki, R., Mermod, M., Yamasaki, H., Kamiya, T., Fujiwara, T., Shikanai, T. (2018) SPL7 locally regulates copper-homeostasis-related genes in Arabidopsis. J. Plant Physiol. 224-225, 137-143.
  19. Otani, T., Kato, Y., Shikanai, T. (2018) Specific substitutions of light-harvesting complex I proteins associated with photosystem I are required for supercomplex formation with chloroplast NADH dehydrogenase-like complex. Plant J. 94, 122-130.
  20. Kato, Y., Sugimoto, K., Shikanai, T. (2018) NDH-PSI supercomplex assembly precedes full assembly of the NDH complex in chloroplast. Plant Physiol. 176, 1728-1738.
  21. Kobayashi, Y., Misumi, O., Odahara, M., Ishibashi, K., Hirono, M., Hidaka, K., Endo, M., Sugiyama, H., Iwasaki, H., Kuroiwa, T., Shikanai, T., Nishimura, Y. (2017) Holliday junction resolvases mediate chloroplast nucleoid segregation. Science 356, 631-634.
  22. Otani, T., Yamamoto, H., Shikanai, T. (2017) Stromal loop of Lhca6 is responsible for the linker function required for the NDH-PSI supercomplex formation. Plant Cell Physiol.58, 851-861.
  23. Wang, C., Yamamoto, H., Narumiya, F., Munekage, Y.N., Finazzi, G., Szabo, I., Shikanai, T. (2017) Fine-tuned regulation of the K+/H+ antiporter KEA3 is required to optimize photosynthesis during induction. Plant J., 89, 540-553.
  24. Shikanai, T., Yamamoto, H. (2017) Contribution of cyclic and pseudo-cyclic electron transport to the formation of proton motive force in chloroplasts. Mol. Plant, 10, 20-29.
  25. Bayer-Császár E., Haag, S., Jörg A., Glass F., Härtel, B., Obata, T., Meyer, E. H., Brennicke, A., Takenaka, M. (2017) The conserved domain in MORF proteins has distinct affinities to the PPR and E elements in PPR RNA editing factors, BBA Gene Regul. Mech., 1860, 813-828.
  26. Haag, S., Schindler, M., Berndt, L., Brennicke, A., Takenaka, M., Weber, G. (2017) Crystal structures of the Arabidopsis organellar RNA editing factors MORF1 and MORF9. Nucleic Acids Res. , 45, 4915–4928.
  27. Odahara, M., Kobayashi, Y., Shikanai T., Nishimura, Y. (2016) Dynamic interplay between nucleoid segregation and genome integrity in Chlamydomonas chloroplasts. Plant Physiol., 172, 2337-2346.
  28. Yokoyama, R., Yamamoto, H., Kondo, M., Takeda, S., Ifuku, K., Fukao, Y., Kamei, Y., Nishimura, M., Shikanai, T. (2016) Grana-localized proteins, RIQ1 and RIQ2, affect the organization of light-harvesting complex II and grana stacking in Arabidopsis. Plant Cell, 28, 2261-2275.
  29. Kobayashi, Y., Otani, T., Ishibashi, K., Shikanai, T., Nishimura, Y. (2016) C-terminal region of sulfite reductase is important to localize to chloroplast nucleoids in land plants. Genome Biol. Evol., 8, 1459-1466.
  30. Yamamoto, H., Takahashi, S., Badger M.R., Shikanai T. (2016) Artificial remodeling of alternative electron flow by flavodiiron proteins in Arabidopsis. Nature Plants, 16012.
  31. Kobayashi, Y., Takusagawa, M., Harada, N., Fukao, Y., Yamaoka, S., Kohchi, T., Hori, K., Ohta, H., Shikanai, T., Nishimura Y. (2016) Eukaryotic components remodeled chloroplast nucleoid organization during the green plant evolution. Genome Biol. Evol., 8, 1-16.
  32. Tsugeki, R., Terada, S. (2015) The Arabidopsis ortholog of the DEAH-box ATPase Prp16 influences auxin-mediated development. Plant Signaling Behavior, 10, e1074369.
  33. Tsugeki, R., Tanaka-Sato, N., Maruyama, N., Terada, S., Kojima, M., Sakakibara, H., Okada, K. (2015) CLUMSY VEIN, the Arabidopsis DEAH-box Prp16 ortholog, is required for auxin-mediated development. Plant J., 81, 183-197.
  34. Takenaka, M., Zehrmann, A.,Brennicke, A., Graichen, K.(2013) Improved computational target site prediction for pentatricopeptide repeat RNA editing factors. PLoS ONE, 8, e65343.

2020 年度学位論文

博士論文

  • Leonardo Basso「Optimization of accelerator and brake in photosynthetic electron transport」
  • 東 遥香「PPRタンパク質による葉緑体遺伝子の翻訳制御」

修士論文

  • 小川 由「シロイヌナズナの葉緑体局在性ダイナミン様タンパク質FZLの生理的機能の解析」
  • 前田 彩子「DYWドメインは植物オルガネラRNA編集サイトの選択に寄与する」
  • 野村 和矢「Ｃ４植物における細胞特異的なプロトン駆動力制御」

メンバー

(2021年4月1日現在)
  • 鹿内 利治(教授)
  • 竹中 瑞樹(准教授)
  • 槻木 竜二(助教)
  • 西村 芳樹(助教)
  • 山本 宏(博士研究員)
  • 田草川 真理(博士研究員)
  • 藤井 祥(日本学術振興会特別研究員PD)
  • 周 琦(博士課程3年)
  • Brody Frink(博士課程2年)
  • 王 騰華(博士課程2年)
  • 鹿嶽 菜々子(修士課程2年)
  • 小原 一成(修士課程1年)
  • 小林 亮平(修士課程1年)
  • 川島 愛音(4回生)
  • 谷口 ますみ(技術補助員)
  • 竹中 佐知(技術補佐員)