植物生理学（長谷研究室）

＊　フォトトロピン研究の背景と目的
　　　・　フォトトロピンとは
　　　・　研究の目的と内容

＊　フォトトロピン研究の内容
　　１．フォトトロピン分子の機能ドメイン
　　　　・　フォトトロピンの細胞内分布
　　　　・　フォトトロピンの光感受性決定機構
　　　　・　フォトトロピンの分子内情報伝達に関わる領域の決定
　　２．フォトトロピン応答の組織・器官間シグナル伝達
　　　　・　葉肉細胞のフォトトロピンによる細胞自律的な柵状組織形成
　　　　・　光屈性における空間的制御機構
　　３．フォトトロピン情報伝達経路
　　　　・　多様な情報伝達経路の存在
　　　　・　相互作用因子の取得のその解析
　　４．フォトトロピンを利用したオプトジェネティクス
　　　　・　オプトジェネティクスとは
　　　　・　フォトトロピンを応用技術に

＊　フォトトロピンとは

　イネ科植物の幼葉鞘を用いて1880年にチャールズ・ダーウィンらが発見した「光屈性」を誘導する光受容体が「フォトトロピン(phot)」である。photはN末端側に光感知に関わるLOV(Light, Oxygen, Voltage)ドメインを２つ（LOV1、LOV2)と、C末端側にSer/Thrキナーゼドメインを有する。LOVドメインには発色団としてFMNが結合しており、青色光刺激によってLOVドメインを中心にphotタンパク質全体の構造変化が誘導されると、C末端側のキナーゼ活性が上昇し下流に情報が伝達される。　（研究背景；光受容体　参照）。

　　　　

　私たちが主に研究対象としている高等植物シロイヌナズナにおいて、フォトトロピンは光屈性以外に葉緑体定位運動（青色光に応じて細胞内の葉緑体の位置が変わる反応）、気孔開口、葉の扁平化、植物体の成長などの応答を制御する。シロイヌナズナには2つのphot分子種（phot1、phot2）が存在するが、この２つのphotは基本的には冗長的に働く。強青色光による光屈性、弱青色光に対して葉緑体が集まる反応（葉緑体集合反応)、気孔開口などに対する制御がそれである。一方、弱青色光での光屈性はphot1特異的反応であり、強青色光に対して葉緑体が逃げる反応（葉緑体逃避反応）はphot2特異的な反応である。

　　

＊　研究の目的と内容

　フォトトロピン情報伝達においては、キナーゼ活性によるリン酸化反応が必須である。photのリン酸化基質としては既に幾つかの因子が既に同定されているものの、フォトトロピン情報伝達系の全容は未だ明らかとなっていない。
　私たちの研究室では、生理学・生化学・細胞生物学・分子生物学・遺伝学的手法を駆使することで「フォトトロピン分子の特性」や「フォトトロピン情報伝達に関わる場と因子」を明らかにしたいと考えている。これまでに、分子生物学的手法を中心に、植物シロイヌナズナのみならずクラミドモナス（緑藻）・大腸菌・酵母・培養細胞など様々な生物でphot分子を発現させることで独自の解析手法を確立してきた。研究内容の詳細については下記項目を参照して頂きたい。

　１．フォトトロピン分子の機能ドメイン
　２．フォトトロピン応答の組織・器官間シグナル伝達
　３．フォトトロピン情報伝達経路
　４．フォトトロピンを利用したオプトジェネティクス


　これら基礎研究を通して「植物が獲得した巧妙なメカニズムを分子レベルで知る」ことが、農学・医学・工学などの様々な応用分野への礎となると期待する。オプトジェネティクス研究もその最初のステップである。

＊　フォトトロピンの細胞内分布

　シロイヌナズナphot1については主に細胞膜上に分布し、光照射により一時的にその一部が細胞質に移行することが示されていた。そこで我々は、phot2の細胞内分布をphot2-GFP融合タンパク質を用いて解析した。その結果、phot2も暗所では主に細胞膜上に分布し、光照射後、その一部がゴルジ体に移行することを明らかにした（Kong et al., 2006)。また、phot2の細胞膜分布およびゴルジ体移行にはC末端側のキナーゼ領域が関与することを示した。さらに、九州大学・和田正三教授らのグループと協同で、フォトトロピンが葉緑体に局在すること（Kong et al., 2013a)、フォトトロピンのC末端に存在する膜結合ドメインが葉緑体運動の制御に必要なことを見出した（Kong et al., 2013b)

　　　　　

＊　フォトトロピンの光感受性決定機構

　フォトトロピンのN-末端側領域とC-末端側領域が、phot1やphot2の特異的な性質を決定する上でどのように寄与しているかを知るため、phot1とphot2の間で両領域を交換したキメラタンパク質を構築し、それらをシロイヌナズナのフォトトロピン欠損株に導入して、生理機能を詳しく比較した（Aihara et al., 2008）。その結果、phot1とphot2の光感度の違いは、おもにN-末端側領域の構造によって決定されることがわかった。
　　　　

＊　フォトトロピンの分子内情報伝達に関わる領域の決定

　photによる分子内及び分子間の情報伝達様式を明らかにする目的で、クラミドモナスphot (Crphot)を導入した酵母解析系を新たに確立した。この系を用いて分子内情報伝達に関わるアミノ酸の探索を行ったところ、新規領域（A’α領域）の存在が明らかとなった。A’α領域の生化学的な役割を検証した結果、暗所でのキナーゼ活性の抑制を行う重要な領域であることが判明した。また我々はこの解析において、それまで困難であった全長photの高度精製にも初めて成功している（Aihara et al., 2012）。現在、酵母解析系を利用した新たな機能ドメインや相互作用因子の同定などを進めている。

　　



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＊　葉肉細胞のフォトトロピンによる細胞自律的な柵状組織形成

　フォトトロピンには様々な役割があるが、その一つが葉の扁平化である。また、強光下で葉の柵状組織が発達することが知られていたが、その光受容体は不明であった。我々は、柵状組織の発達がフォトトロピンによって制御されていることを示すとともに、フォトトロピンを組織特異的に発現させ、葉の扁平化では表皮が、柵状組織発達では葉肉細胞自身が光受容部位であることを明らかにした（Kozuka et al., 2011）。さらに最近、フォトトロピンが不活性化されている状態でも、phyBを欠損すると葉が扁平化することを見出した。この現象を詳しく解析した結果、phyBとフォトトロピンが拮抗的に葉の扁平化を制御していることが分かった（Kozuka et al., 2013）。




＊　光屈性における空間的制御機構

　シロイヌナズナを材料に、双子葉植物の光屈性が、植物体の「どこで光を感知し」、「どこで情報伝達が担われ」、「どこで屈曲が起こるか」を詳細に調べた。その結果、シロイヌナズナでは光感受性部位と屈曲部位の両領域が芽生えの上部に限定されることを見出した。従って、幼葉鞘の先端部で光を感知し基部が屈曲するイネ科植物芽生えと異なり、双子葉植物の光屈性はより部位自律性が高いことが明らかとなった（Yamamoto et al., 2013）。

　　


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＊　多様な情報伝達経路の存在

　フォトトロピンはまず陸上植物で発見された。我々は、単細胞性の緑藻であるクラミドモナスにおいてフォトトロピンの遺伝子が存在することを発見し、米国のBriggsらの研究室と共同で、確かにクラミドモナスのフォトトロピンが発色団を結合し光受容体として働きうることを示した（Kasahara et al., 2002）。さらに、クラミドモナスのフォトトロピン遺伝子をシロイヌナズナのphot1phot2二重変異体に導入し、高等植物の細胞内で生理活性を持つことを証明した（Onodera et al., 2005）。クラミドモナスでは、フォトトロピンは、陸上植物とは異なり、光合成関連遺伝子の発現制御や有性生殖のサイクルに関わることが知られている。このように多様な現象がどのようにして同じ光受容体で制御されているのか、その分子機構に興味がもたれる。




＊　相互作用因子の取得とその解析

　準備中

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＊　オプトジェネティクスとは

　準備中

＊　フォトトロピンを応用技術に

　準備中


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