植物細胞制御学（第５回　 11/10 ）遺伝子発現の環境応答

植物細胞制御学（第５回　11/10）遺伝子発現の環境応答植物細胞制御学（第５回　11/10）遺伝子発現の環境応答

環境植物ホルモンレセプターシグナル伝達レセプター転写制御 (translational regulation) 遺伝子発現タンパク質代謝レベル転写後制御 (post-translational regulation) 表現型

遺伝子情報発現と環境因子の関係は単純ではない遺伝子情報発現と環境因子の関係は単純ではない複雑！

受容体（レセプター）について 何らかの刺激を受け取り、情報として利用できるように変換する仕組みを持った構造体ホルモンレセプターは・・・ホルモンと結合する、ホルモン情報を変換する化学物質（ホルモンなど）が細胞外から作用する場合、以下の方法で受容体を同定できるただし、植物ではなかなかうまく行かないが・・・エチレン受容体で成功ヒスチジンの自己リン酸化 ↓ アルギニン酸へのリン酸転移 ↓ リン酸の転移によるシグナル伝達（後述）「植物の生化学・分子生物学」

　オーキシンのシグナル伝達系、遺伝子発現調節　　オーキシンのシグナル伝達系、遺伝子発現調節　　←　道管形成におけるオーキシンの作用　 U U Protein タンパク分解系へ Protein

オーキシン受容体（TIR1)と作用機構　Nature 446, 621-622(2007) 最初の報告は Nature 435, 441-445 (2005) benzoic acid l-tryptophan 1-NAA 2,4-D IAA 競合的（特異的）な[3H]-IAA の SCFTIR1への結合実験現在　オーキシン受容体はTIR/AFBと表記されることも多い F-boxファミリー　TIR1, AFB1, AFB2, AFB3 が受容体（参考　Proceedligs of the National Academy of Science (PNAS) 106:22540 (2009)）

　サイトカイニンのシグナル伝達 情報の変換　リン酸リレー（伝達） • 　タンパク質リン酸化酵素　Protein Kinase • リン酸化を受けるアミノ酸から・・・ • 　セリン／スレオニンキナーゼ（カイネース） • 　チロシンキナーゼ→受容体、情報伝達 • 　ヒスチジンキナーゼ→受容体、情報伝達 • 制御因子から・・・ • 　カルシウムで制御（Ｃキナーゼ、CDPK) • cAMPで制御（Aキナーゼ） • 　マイトジェン制御（MAPキナーゼ）

ヒスチジンカイネースの“二成分系”Two-Component Signal Transduction Pathways in Arabidopsis. Hwang et al. Plant Physiology, 2002, 129:500–515 Figure 1. Schematic representation of the two-component and the multistep phosphorelay signaling systems. A, The prototypical two-component pathway uses a single phosphoryl transfer event between a His protein kinase and its cognate response regulator. B, The multistep His-to-Asp phosphorelay system in which a His-containing phosphotransfer protein serves as a phosphoryl acceptor and donor between the hybrid protein kinase and the response regulator. In yeast (Saccharomyces cerevisiae) osmosensing, the phosphorelay connects to an MAPK cascade (Wurgler-Murphy and Saito, 1997). In Arabidopsis cytokinin signaling, a response regulator directly regulates its target gene expression (Hwang and Sheen, 2001). The vertical bars represent transmembrane domains. H, His; D, Asp; P, phosphoryl group.

らん藻で研究が進んでいる、ヒスチジンカイネース系らん藻で研究が進んでいる、ヒスチジンカイネース系 Hypothetical scheme for the pathway for low-temperature signal transduction in SynechocystisSuzuki et al. Biochem. Soc. Trans. (2000) 28, 628–630 低温ストレス応答の場合どうやって証明？ ↓ HiK３３欠損変異体を作成、解析 HiK３３欠損変異体 →低温応答しなくなる

環境応答に関与する因子の経路／順番を知る→　生理学の方法そのもの（前述）環境応答に関与する因子の経路／順番を知る→　生理学の方法そのもの（前述） • 刺激（環境変化など）によって、その因子（X)が変化するか • 時間経過はどうか（順番) • Xを止めると、以降の反応が止まるか • Xを人為的に動かすと、最初（本来）の刺激がなくても最終反応がおこるか(mimic) 　応答反応（遺伝子発現）　情報入力（環境変化） A B C D

らん藻での高浸透圧ストレス応答とヒスチジンカイネース系らん藻での高浸透圧ストレス応答とヒスチジンカイネース系 Five Histidine Kinases Perceive Osmotic Stress and Regulate Distinct Sets of Genes in Synechocystis Paithoonrangsarid et al. J. Biol. Chem., (2004) 279: 53078-53086

シロイヌナズナの例 ここにMAPKシグナル経路（後述） Figure 9. Model of the two-component signal transduction pathways in Arabidopsis. The cytokinin signal is perceived by multiple His protein kinases at the plasma membrane. Upon perception of the cytokinin signal, His protein kinases initiate a signaling cascade via the phosphorelay that results in the nuclear translocation of AHPs (Hwang and Sheen, 2001). Activated AHPs may interact with sequestered ARRs or ARR complexes, transfer the phosphate to the receiver domain of its cognate B-type ARR, releasing these activation-type ARRs from putative repressors in the nucleus. The dephosphorylated AHP shuttles back to the cytosol, where it can be rephosphorylated. The liberated ARRs bind to multiple cis elements in the promoter of target genes. The activation of the repressor-type ARRs as primary cytokinin response genes provides a negative feedback mechanism. In addition to the CTR1 signaling pathway, additional ethylene signaling pathways could be mediated by two-component components (Lohrmann and Harter, 2002). Red light and cytokinin signaling is converged at ARR4. ARR4 stabilizes the active form of PHYB by inhibiting dark reversion (Sweere et al., 2001). Stress and Glc may also modulate two-component signaling (Urao et al., 1998; F. Rolland and J. Sheen, unpublished data). RD, Response domain; BD, DNA binding domain; AD, transactivation domain; PM, plasma membrane; N, nucleus; R, putative repressor; FR, far-red light

　植物の　ＭＡＰＫinase系 Nature 451, 789-795 (2008) "Dual control of nuclear EIN3 by bifurcate MAPK cascades in C2H4 signalling." Yoo et al. なぜカスケードか？ Model of the bifurcate MAPK cascades in ethylene signalling. The two EIN3 phosphorylation sites (P) with opposite functions are marked. Without ethylene, CTR1 directly or indirectly inactivates MKK9–MPK3/6 and probably activates downstream MAPKs to phosphorylate T592 to promote EIN3 degradation. Ethylene inactivates CTR1 for MKK9–MPK3/6 activation and T174 phosphorylation to stabilize EIN3. Arrow and blunt ends indicate positive and negative regulations, respectively. ACS, ACC synthase; MKKK, MAPKKK; C, cytoplasm; N, nucleus. （名古屋大学植物発生学研究室HPより）増幅　　調節　　分岐・統合

低温と乾燥に応答するＤＲＥＢ系（シロイヌナズナの研究例）低温と乾燥に応答するＤＲＥＢ系（シロイヌナズナの研究例）受容　→ 　伝達　　転写因子　→ 　シス因子　→

植物における環境と生物ストレスに対する応答植物における環境と生物ストレスに対する応答蛋白質核酸酵素２００７年５月号増刊クロストーク（情報伝達系の相互作用）

塩ストレスに応答するカルシウムシグナル伝達系塩ストレスに応答するカルシウムシグナル伝達系左：酵母細胞右：植物細胞（基本形に相同である） Trends in plant science, 3:411-412 (1998)よりＣＡＭ：カルモジュリンCDPK:カルシウム依存PKPK：タンパク質リン酸化酵素PP:タンパク質脱リン酸化酵素ＣＮA/B：カルシュニューリンA/B（ＣBＬ：CNB-like）←CAMが結合（Ca依存的）

植物のCBLシグナル系 • CBLs/CIPKs CBL:1～9　（Ｃａｌｕｃｉnｕｌｉｎ-Blike proteins) CIPK1～25(CBL-interacting protein kinase) 2, 11-17, 19-25 Black: CIPKs Blue:CBL1 Red:CBL9 3, 5, 10 1, 4, 6, 8,18 7, 9 Drought-responsive Cold-responsive Sheng Luanet al.

タンパク質相互作用を調べるTwo-hybrid法

The CBL–CIPK network in plant calcium Signaling. Sheng Luan Trends in Plant Science Volume 14, Issue 1, 37-42 (2008)

伸展活性化カルシウムチャネル カルシウムの関与する他の系カルシウム依存性蛋白質リン酸化（CDPK and Aquaporins） Aquaporins and waterhomeostasis in plants Kjellbom et al. TIPS, 1999, 4:308 （以前の授業で既出）どうやって細胞内Caの変動を調べるか？

カルシウムウェーブ／シグネチャー Ｃａ発光性タンパク（エクオリン）を使った例蛍光試薬を使った例（フラ－２、フルオ－３ほか）「植物の生化学・分子生物学」

イクオリンとＧＦＰ（2008年ノーベル化学賞　下村教授）イクオリンとＧＦＰ（2008年ノーベル化学賞　下村教授） Ca2+→イクオリン（青色）→GFP（緑色）日経サイエンス　２００９年１１月号よりオオムギ根で発現させた例（且原撮影）

病原抵抗/過敏感反応でのシグナル伝達

エリシター応答性イネ遺伝子発現のシグナル伝達エリシター応答性イネ遺伝子発現のシグナル伝達（農業生物研・生体高分子研究グループ）

植物細胞制御学（第５回 11/10 ） 遺伝子発現の環境応答