2018 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Chemical Approaches for Miscellaneous / Crowding Live Systems |
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| Project/Area Number |
17H06350
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
萩原 伸也 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, チームリーダー (80373348)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 植物ホルモン / ケミカルバイオロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
オーキシン受容体TIR１の機能は、冗長性のため遺伝学的手法による解析では困難であり、未解明な部分が多く残されていた。この課題を解決するため、我々はBump-Hole法（凸凹法）を用いることでオーキシンの作用を受容体レベルで制御する新技術を開発した。我々は、受容体TIR1のオーキシン結合ポケットに１アミノ酸の変異を導入し、天然オーキシンに結合しない改変型TIR1（凹TIR1）を作成した。そして、この凹TIR1へ選択的に結合する人工オーキシン（凸オーキシン）を合成した。凸オーキシンは、凹TIR1を発現させた植物でのみオーキシン応答（根の伸長阻害など）を起こすことから、凹TIR1ー凸オーキシンのペアが天然の仕組みとは独立に植物体内で機能することがわかった。これは個体レベルで凸凹法を実現した初の例である。
本手法を用いると、解析対象とするオーキシン応答がTIR１を介したシグナル伝達であるか否かを明確にすることができる。実際に、凹TIR１を発現する植物に凸オーキシンを作用させたところ、黄化芽生えの迅速な伸長生長が確認された。すなわち、このオーキシン応答はTIR１を介して誘導されることが明らかになった。さらに、我々はこの手法を用いて、オーキシンによる根の可逆的な伸長抑制もTIR１を介して誘導されることを明らかにした。
さらに、我々は本手法の将来的な農業応用を目指し、より低濃度で効果を示す凹TIR1ー凸オーキシンペアの開発を行った。凹TIR1に導入するアミノ酸置換や凸オーキシンの構造を検討することで、天然のオーキシンーTIR１ペアと比べて１万倍低濃度で相互作用を起こす凹TIR1ー凸オーキシンペアを見出した。この凹TIR１を花で特異的に発現するトマトに対して凸オーキシンを散布すれば、着果促進を選択的に誘起することが可能と考えられ、農業を効率化する新規植物成長調整剤としての応用が期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本課題は、概ね当初計画通りに進んでいる。これに加え、当初計画にはなかったauxin induced degradation (AID)法への新たな展開が見えてきている。TIR１のオーキシンへの結合は、さらに特定の配列を有するペプチド（デグロン）をもつタンパク質とTIR１との複合体形成を誘起し、そのユビキチン化を引き起こす。この植物特有の仕組みを他の生物種に導入することで、デグロン配列を導入した標的タンパク質を望みのタイミングで分解する手法（AID法）が、酵母、線虫、ヒト培養細胞などで幅広く用いられている。この方法の欠点の一つは、非常に高濃度（～mM）のオーキシンを投与する必要がある点で、これが動物個体レベルへの応用の妨げとなっている。これに対し、我々の開発した 凹TIR1ー凸オーキシンペアは、１万倍低い濃度でデグロンとの複合体形成を誘起することができ、AID法の広範な生物への応用を実現する画期的ツールになることが期待される。現在、こうした応用展開を海外および国内の研究グループと共同で進めており、有望な成果が得られている。
また、デグロンをもつタンパク質群をオーキシン依存的に分解する仕組みは広く植物で保存されているため、これまでAID法を植物に適用することは不可能であった。この課題を解決するため、我々はデグロン配列とTIR１のデグロン認識部位に凸凹法を適用し、植物に内在するデグロンーTIR１とは直交的にはたらく凸デグロンー凹TIR１ペアを構築した。この凹TIR１をさらに凸オーキシンが結合するように改変した凹凹TIR１は、凸オーキシンの存在下で凸デグロンとの相互作用が誘起された。この凹凹TIR１―凸オーキシンー凸デグロン系は植物内でも利用可能なAID法として期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに開発したオーキシンのbump-holeペア、並びに本研究計画で開発するサイトカイニンやジベレリンのbump-holeペアをトマトや果樹などの実用植物で器官特異的に発現させ、実用化に向けた実証実験を行う。特に本課題では、果実の肥大化を選択的に誘起するため、子房で発現するプロモーターを用いる。子房特異的プロモーターの中でも、果実の形成に至る各段階で時期特異的に発現するプロモーターが存在する。本研究では、こうしたプロモーターをそれぞれ導入した改変型受容体遺伝子を植物に形質転換し、高品質な果実形成に適したプロモーターを探索する。このような果実形成の仕組みは植物学的に重要であるにもかかわらず、植物ホルモンが子房のどこで・いつ受容されると果実の形成に至るのかは不明な点が多い。本研究は、農業利用のみならず、こうした植物科学において謎とされている仕組みを解明するのに有効で、学術的にも幅広い波及効果が期待される。
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