研究室・教員

研究室紹介

形態統御学講座 Laboratory of Developmental Biology
細胞間シグナル研究グループ Group of Intercellular Signaling Biology

教授
松林 嘉克植物のかたちづくりを担う細胞間シグナルの探索と解析
助教
篠原 秀文細胞間シグナルの受容体探索と解析
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English
松林 嘉克教授
研究室のメンバー

植物のかたちづくりや環境応答を担うリガンド-受容体ペア

高等植物では,受容体キナーゼ(receptor kinase)と呼ばれる1回膜貫通型のキナーゼタンパク質群が,分泌性シグナル分子群の有力な受容体候補と考えられています.しかし,シロイヌナズナにおいて625個見出されているRLKのうち,特異的リガンドが確定しているものは全体の3%に満たず,残りはすべてリガンド未知すなわちオーファン受容体です.一方,リガンドの最有力候補と考えられている分泌型ペプチドをコードする遺伝子群は,ORFサイズを50から150アミノ酸に限定しても900個以上が存在します.私たちは,これらの中から植物のかたちづくりや環境応答に関わるリガンド−受容体ペアを見つけ出し,個々の生理機能を分子レベルで明らかにしたいと考えています.

新しいホルモンを探す

内生のホルモンは典型的なリガンド候補です.私たちは様々な手法を駆使して,新しいホルモンを探索しています.特に近年注目しているのは,翻訳後修飾を受けた短鎖ペプチドです.翻訳後修飾には高いエネルギーコストがかかることから,進化的に保存されてきた翻訳後修飾ペプチドにはコストを上回る機能が付与されている可能性が高いという予想に基づいて,バイオインフォマティクスと生化学的解析を統合した新規ペプチドホルモンの探索を行なっています.この手法によって同定したペプチドホルモンの代表例は,根における局所的な窒素の欠乏を植物の全体に伝達する働きを持つCEPです.このホルモンの作用により,窒素欠乏部位から離れた根での硝酸イオンの取り込みが促進され,自然界の不均一な窒素環境下でも植物が安定して窒素栄養を取り込むことができるようになります.また,翻訳後修飾酵素の遺伝子破壊株の形態は,修飾を受けるすべてのペプチドホルモンの機能的欠損を反映することに注目して,翻訳後修飾酵素の同定も進めています.実際,私たちは翻訳後修飾酵素のひとつであるチロシン硫酸化酵素を同定し,その欠損株では根端メリステムにおける細胞分裂活性が顕著に低下することに着目して,根端メリステム形成に関与する新しいペプチドホルモンRGFを発見しました(図1).

翻訳後修飾酵素を同定する

細胞外分泌型のペプチドやタンパク質は,しばしば硫酸化や糖鎖付加などの翻訳後修飾を受けています.こうした修飾は細胞外という特殊な環境で小さな分子が特異的な機能を発揮するために重要な役割を果たします.翻訳後修飾は特異的な酵素によって付加されますが,これらの酵素を同定することも私達の研究の重要なターゲットです.上述のように,私たちは翻訳後修飾酵素のひとつであるチロシン硫酸化酵素を,シロイヌナズナ細胞の膜タンパク質画分から精製・同定し,その欠損株では根端メリステムにおける細胞分裂活性が顕著に低下することを明らかにしています.

 また,Hypアラビノシル化は,一部のペプチドシグナルや細胞外タンパク質の機能に重要な役割を果たす翻訳後修飾です.私たちは,この修飾反応に関わる糖転移酵素(Hydroxyproline O-arabinosyltransferase: HPAT)についても,シロイヌナズナの細胞の膜タンパク質画分から,精製・同定することに成功しています.HPATを欠損させた植物体では,細胞壁厚の顕著な減少,花成の促進,および花粉管伸長異常による不稔など,栄養成長および生殖成長の両方に様々な異常が観察されました(図2).これらの結果は,今後どこでどのようなアラビノシル化ペプチド・タンパク質が機能しているかを知る上で重要な情報となり,新しい研究の出発点になります.

受容体を同定する

ペプチドホルモンなどのリガンド候補について,特異的受容体を同定することも重要な課題です.私たちは,受容体の同定を迅速化するため,受容体キナーゼの細胞外領域をタグ融合タンパク質として個々に培養細胞で発現させた発現ライブラリを構築しており,リガンド候補との直接的な結合活性を指標とした受容体の同定を進めています.リガンド−受容体ペアが明らかになれば,両者によって支配される生命現象の理解が一気に進むとともに,受容体下流の情報伝達系の解析へと研究を展開することができます.


これまで,リガンド−受容体ペアは,様々な生物現象に関連する分子群の地道な解析の中で少しずつ見つけられてきました.リガンドはその受容体下流に位置する細胞内情報伝達系を活性化させるマスタースイッチであることから,リガンド−受容体ペアの同定は非常にエキサイティングな研究テーマです.しかし,より多くのリガンド−受容体ペアを見つけ出すには,視点を変えた新しいアプローチや解析技術の確立が必要であることも事実です.私たちは,生化学的・分子生物学的手法を駆使して,より積極的にリガンド−受容体ペアを見つけ出し,それらの背後に隠されている生命現象やしくみを分子レベルで解き明かしたいと考えています.

図1

根端メリステム形成に関与するペプチドホルモンRGFの発現部位(左),組織内分布(中央),およびRGFにより発現が制御される転写因子PLETHOLAの発現パターン(右)

図2

野性株(左)とHPAT欠損株(中央,右)における花粉管伸長の比較

References

  1. Tabata, R. et al. Science 346, 343-346 (2014)
  2. Ogawa-Ohnishi, M. et al. Nature Chem. Biol. 9, 726-730 (2013)
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  6. Ogawa, M. et al. Science 319, 294 (2008)
  7. Matsubayashi, Y. et al. Science 296, 1470-1472 (2002)
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