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小胞体と核のコミュニケーション機構の解明

 真核生物の細胞には、膜で覆われた様々なオルガネラ(細胞内小器官)が存在します。植物細胞の場合は葉緑体が有名です。葉緑体は2重の膜に包まれていて光合成など重要な働きをするオルガネラです。葉緑体は、光合成細菌が共生して生じたということは定説となっています。その証拠の1つに葉緑体は独自のゲノムを持つことが挙げられます。葉緑体はその機能を発揮するために核とコミュニケーションを行っていることが分かっています。

 葉緑体が植物にのみ存在するオルガネラで、沢山の研究者が研究しているのに対して、小胞体は真核生物全般に存在することから、植物の小胞体を研究している研究者はそれほど多くないかもしれません。しかし、小胞体は、小胞輸送経路の出発点としてとても大切な役割をしているオルガネラです。小胞輸送とは、小胞体で合成したタンパク質を小さな膜に囲まれたまさに「小胞」により、細胞のいろいろな場所や細胞の外に運ぶ仕組みです。膜に囲まれた輸送なので、「メンブレン・トラフィック(膜輸送)」と呼ばれることもあります。

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 小胞体で合成されるタンパク質には様々なものがあります。私たち人間の場合では、例えば消化酵素は小胞体で合成され、小胞輸送で細胞の外、つまり腸管に運ばれます。植物でも細胞の外で働く様々なタンパク質や種子貯蔵タンパク質などが小胞体で合成されます。小胞体は英語ではendoplasmic reticulum(ER)と呼ばれ、細胞内の網目状構造とでも訳するのが適当かもしれません。確かに小胞体は細胞の中で網目状に広がっています。この小胞体と核の間にもやはりコミュニケーション(信号のやりとり)が存在します。

 例えば、小胞体で合成されたタンパク質は正しい構造に成熟する必要があります。しかし、様々なストレスがかかるとタンパク質はきちんと成熟できません。そのような事態を回避するために、タンパク質の成熟を助けるシャペロンと呼ばれるタンパク質が小胞体タンパク質の成熟を助けます。それでも正しい構造を取れない持つタンパク質はERADという仕組みにより細胞質に逆輸送されて分解されます。このように正しい構造を持ったタンパク質だけを小胞体から送りだす仕組みは小胞体の品質管理と呼ばれます。ストレスに対応するために小胞体から核へ信号が伝わり小胞体の品質管理に関わるシャペロンなどの遺伝子が協調的に誘導される現象は小胞体ストレス応答と呼ばれます。

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 小胞体ストレス応答の分子機構は酵母や動物でここ10年余り非常に注目を集めて来ました。それは、小胞体から核への信号の伝え方がとても変わったものだったからです。例えば、スプライソソームに依存しない細胞質で起こるスプライシングや膜に局在するタンパク質の特異的切断(RIP)など、珍しい分子機構によって信号が伝えられます。酵母や動物では、その全容がかなり明らかとなってきましたが植物では小胞体ストレス応答の分子機構にはまだまだ多くの謎があります。また小胞体の品質管理がどのように植物に重要なのかということもまだ良く判っていません。

 私達の研究室は植物の小胞体ストレス応答の分子機構の解明では世界をリードしています。これまでにモデル植物であるシロイヌナズナを用いて小胞体のストレスセンサーと考えられるIRE1という遺伝子を見つけています。最近、IRE1が酵母や動物と同じく細胞質スプライシングに関わっていることを突き止めました。RIPにより制御される転写因子としてはbZIP28、bZIP17に着目して研究を進めています。最近、植物の小胞体品質管理や小胞体ストレス応答に関する研究が国内外でも増えてきました。私たちは今後もこうした他の研究者と切磋琢磨しながら、小胞体ストレス応答という現象を切り口に、植物の未知なる仕組みを分子レベルで明らかにして行きたいと考えています。

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【発表文献】
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Iwata Y, Nishino T, Koizumi N (2017) Overexpression of the endoplasmic reticulum stress-inducible gene TIN1 causes abnormal pollen surface morphology in Arabidopsis. Plant Biotechnol 34:173-176

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Hirata R, Mishiba KI, Koizumi N, Iwata Y (2019) Deficiency in the double-stranded RNA binding protein HYPONASTIC LEAVES1 increases sensitivity to the endoplasmic reticulum stress inducer tunicamycin in Arabidopsis. BMC Res Notes 12:580

Mishiba KI, Iwata Y, Mochizuki T, Matsumura A, Nishioka N, Hirata R, Koizumi N (2019) Unfolded protein-independent IRE1 activation contributes to multifaceted developmental processes in Arabidopsis. Life Sci Alliance 2:e201900459