葉緑体タンパク質分解が駆動する新たなフィードバック制御機構の解明

• Project/Area Number: 15J03092
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Plant molecular biology/Plant physiology
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 西村 健司 岡山大学, 資源植物科学研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 葉緑体 / プロテアーゼ / タンパク質ホメオスタシス / トランスポーター / シグナル伝達 / シロイヌナズナ

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、「核ゲノム由来の葉緑体タンパク質の分解産物(ペプチド)がシグナル分子として葉緑体外に放出され、核にある自身の遺伝子発現を制御する」という仮説を立て、１.　ペプチドを生成する葉緑体プロテアーゼ-基質の特定、２.　葉緑体から排出されるペプチドの検出、及び３.　ペプチドエクスポーターの同定を行った。
まず１については、計画通り葉緑体チラコイド膜局在型FtsHプロテアーゼのシャペロン部位のGST融合タンパク質と単離チラコイド膜を用いて、試験管内で基質-酵素複合体の再構成を試みたが、標的単離には至らなかった。ただ、後述するようにFtsHが本研究で提唱するペプチドシグナル伝達経路に関わることが遺伝学的解析により示唆された。また２に関して、ペプチドの検出法を検討した結果、最終的に単離葉緑体内に残留するタンパク質分解産物をペプチド分離用TLC上で展開し、第一級アミンを蛍光色素により染色する方法を確立できた。今後は後述の変異体の葉緑体を用いてその蓄積を野生株と比較する。３についても、当初の予定通り３種類の葉緑体包膜ABCトランスポーターの１つがATP依存的なペプチド輸送活性を有することが共同研究により明らかとなった。またそのトランスポーター変異体のRNA-seq解析を共同研究により再度行ったところ、小規模な核遺伝子の発現変動が確認され、その多くは通常DNAメチル化により制御されるものであった。実際同変異体でメチル化状態の異常が観察され、同様の結果がFtsH変異体でも確認された。なお変動遺伝子の殆どは非葉緑体タンパク質をコードしていたことから、多くの場合分解産物は核にある自身以外の遺伝子の発現制御に関わると推察される。一方、残り２つのトランスポーターの変異体についてもRNA-seq解析により変動遺伝子を比較したところ、これら３つは各々独立の機能を有する可能性が示唆された。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Meeting Report - Taiwan - Japan Plant Biology 2017 Spotlight Issue: From light signal to photosynthesis and chloroplast development (2018)
  • Author(s): Nishimura, K., Matsushita, T., Shikanai, T., and Sakamoto, W.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 印刷中 Issue: 6 Pages: 1099-1103
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy077
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Essentials of proteolytic machineries in chloroplasts. (2017)
  • Author(s): Nishimura, K., Kato, Y., and Sakamoto, W.
  • Journal Title: Molecular Plant Volume: 10 Issue: 1 Pages: 4-19
  • DOI: 10.1016/j.molp.2016.08.005
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chloroplast Proteases: Updates on Proteolysis within and across Suborganellar Compartments (2016)
  • Author(s): Nishimura, K., Kato, Y., Sakamoto, W.
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 171 Issue: 4 Pages: 2280-2293
  • DOI: 10.1104/pp.16.00330
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Posttranslational control of ALA synthesis includes GluTR degradation by Clp protease and stabilization by GluTR-binding protein. (2016)
  • Author(s): Apitz, J., Nishimura, K., Schmied, J., Wolf, A., Hedtke, B., van Wijk, K.J., Grimm, B.
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 170 Issue: 4 Pages: 2040-2051
  • DOI: 10.1104/pp.15.01945
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Discovery of a unique Clp component, ClpF, in chloroplasts: a proposed binary ClpF-ClpS1 adaptor complex functions in substrate recognition and delivery. (2015)
  • Author(s): Nishimura, K., Apitz, J., Friso, G., Kim, J., Ponnala, L., Grimm, B., van Wijk, K.J.
  • Journal Title: Plant Cell Volume: 27 Pages: 2677-2691
  • DOI: 10.1105/tpc.15.00574
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] シロイヌナズナ葉緑体ペプチドエクスポーターの解析 (2018)
  • Author(s): 西村健司，関谷堂真，石森元幸，高見 常明，加藤裕介，宮地孝明，坂本亘
  • Organizer: 第59回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 葉緑体ペプチドトランスポーターを介した核遺伝子発現制御の可能性 (2018)
  • Author(s): 西村 健司, 関谷 堂真, 石森 元幸, Samuel Watson, 高見 常明, 加藤 裕介, 宮地 孝明, 坂本 亘
  • Organizer: 第20回植物オルガネラワークショップ
  • Invited
• [Presentation] シロイヌナズナ葉緑体包膜ABCトランスポーターの生理学的・生化学的解析 (2017)
  • Author(s): 西村健司、宮地孝明、石森元幸、高見常明、加藤裕介、坂本亘
  • Organizer: 第58回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] Nuclear transcriptome rewiring involving a peptide-exporting ABC transporter on chloroplast envelopes (2017)
  • Author(s): Kenji Nishimura, Motoyuki Ishimori, Takamasa Sekiya, Samuel Watson, Tsuneaki Takami, Takaaki Miyaji, and Wataru Sakamoto
  • Organizer: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シロイヌナズナ葉緑体ABCトランスポーターの解析 (2016)
  • Author(s): 西村健司、加藤祐介、坂本亘
  • Organizer: 第57回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岩手大学（盛岡）
  • Year and Date: 2016-03-18
• [Remarks] Kenji Nishimura - Google Scholar Citations
  • URL: https://scholar.google.co.jp/citations?user=ZA8THGMAAAAJ