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2018 Fiscal Year Annual Research Report

Integrative studies on the processive degradation of macromolecules in chloroplasts

Research Project

Project/Area Number 17H03699
Research InstitutionOkayama University

Principal Investigator

坂本 亘  岡山大学, 資源植物科学研究所, 教授 (20222002)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 高見 常明  岡山大学, 資源植物科学研究所, 技術職員 (70614254)
Project Period (FY) 2017-04-01 – 2021-03-31
Keywords植物生理 / オルガネラ分化 / プロテアーゼ / ヌクレアーゼ / 葉緑体 / トランスポーター
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、シアノバクテリアの細胞内共生により生じた葉緑体が、前駆体であるプロプラスチドから葉緑体に分化し維持されるために必須なプロセッシブ分解の調節機構を明らかにするとともに、分解産物であるペプチド・ヌクレオチドの葉緑体外輸送など、その生理機能についても着目し、葉緑体のホメオスタシス・機能転換と生体高分子分解の関係を統合的に理解する。以下の3つの項目について研究を進めた。
(1)プロセッシブなタンパク質分解酵素FtsHの制御機構:FtsHはチラコイド膜の主要プロセッシブタンパク質分解酵素である。H30年度はFtsH2のリン酸化部位についてS212, T337, S380, S393のセリンおよびスレオニン残基がリン酸化されていることを推定した。それぞれの残基をアラニンに置換したFtsH2を発現する遺伝子をFtsH2欠損変異体に導入したところ、S212Aの変異ではFtsHの蓄積が低下していた。
(2)プロセッシブな核酸分解酵素DPD1の制御機構:昨年度までに作製した、エストラジオール誘導系により変異型および野生型DPD1を発現するシロイヌナズナトランスジェニック個体について、ホモ化した系統を用いてDPD1の誘導を確認した。転写レベルでの発現誘導は確認されたが、ウエスタン解析によるDPD1タンパク質の発現が確認できなかった。これまでDPD1恒常的発現系でもDPD1の発現に成功しておらず、DPD1発現の毒性あるいは他の影響が考えられたので、本実験の続行は再検討することにした。
(3)分解産物の葉緑体排出の解析:内包膜に局在するABCトランスポーターTAP1によるペプチド排出機構があることを明らかにした。tap1変異体でのペプチド残存には優位な増加は検出されなかった。TAP1の欠損が葉緑体機能にどのような影響を及ぼすかをRNAseq等で検討した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では、葉緑体でのプロセッシブ分解を担う酵素として、FtsHプロテアーゼ、DPD1ヌクレアーゼに着目しているが、それぞれの研究で当初の計画通りに進捗している。DPD1については、総説と論文を成果として発表することができた。また、ペプチド分解産物の葉緑体排出については、TAP1ホモログに着目した解析も計画通りに進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

FtsHのリン酸化制御によるタンパク質分解の解析では、推定リン酸化部位にアミノ酸置換を導入した形質転換植物の解析を継続して進め、リン酸化とFtsH複合体形成について考察する。研究の過程で、ジスルフィドによるFtsHの修飾も報告されたことから、これらについても国際共同研究で今後研究を進める。
DPD1による核酸分解については、得られた形質転換植物でエストラジオールによるDPD1タンパク質の発現を調べたが、残念ながら発現がウエスタンブロットで確認できていない。H31も継続するが、生化学的解析が困難な場合はこの実験を終了し、代わりにイネのゲノム編集で作出しているDPD1欠損個体を用いた解析を進め、今後はDPD1機能の普遍性について検証する。
ペプチド分解産物排出機構の研究については、TAP1トランスポーターについて引き続き解析を進める。特にTAP1欠損シロイヌナズナ変異体における葉緑体機能への影響を、var1, var2など関連する変異体と交配し、詳しく調べる。

  • Research Products

    (19 results)

All 2018 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 4 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 4 results) Remarks (4 results)

  • [Int'l Joint Research] CNRS-IBPC(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      CNRS-IBPC
  • [Int'l Joint Research] Chinese Academy of Sciences(中国)

    • Country Name
      CHINA
    • Counterpart Institution
      Chinese Academy of Sciences
  • [Journal Article] Organelle DNA degradation contributes to the efficient use of phosphate in seed plants2018

    • Author(s)
      Takami Tsuneaki、Ohnishi Norikazu、Kurita Yuko、Iwamura Shoko、Ohnishi Miwa、Kusaba Makoto、Mimura Tetsuro、Sakamoto Wataru
    • Journal Title

      Nature Plants

      Volume: 4 Pages: 1044~1055

    • DOI

      10.1038/s41477-018-0291-x

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The Photosystem II Repair Cycle Requires FtsH Turnover through the EngA GTPase2018

    • Author(s)
      Kato Yusuke、Hyodo Kiwamu、Sakamoto Wataru
    • Journal Title

      Plant Physiology

      Volume: 178 Pages: 596~611

    • DOI

      10.1104/pp.18.00652

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] FtsH Protease in the Thylakoid Membrane: Physiological Functions and the Regulation of Protease Activity2018

    • Author(s)
      Kato Yusuke、Sakamoto Wataru
    • Journal Title

      Frontiers in Plant Science

      Volume: 9 Pages: 855

    • DOI

      10.3389/fpls.2018.00855

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Chloroplast DNA Dynamics: Copy Number, Quality Control and Degradation2018

    • Author(s)
      Sakamoto Wataru、Takami Tsuneaki
    • Journal Title

      Plant and Cell Physiology

      Volume: 59 Pages: 1120~1127

    • DOI

      10.1093/pcp/pcy084

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] VIPP1 involved in chloroplast membrane integrity has GTPase activity in vitro2018

    • Author(s)
      Ohnishi Norikazu、Zhang Lingang、Sakamoto Wataru
    • Journal Title

      Plant Physiology

      Volume: 328-338 Pages: 328-338

    • DOI

      10.1104/pp.18.00145

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Taiwan?Japan Plant Biology 2017 Spotlight Issue: From Light Signals/Signaling to Photosynthesis and Chloroplast Development2018

    • Author(s)
      Nishimura Kenji、Matsushita Tomonao、Shikanai Toshiharu、Sakamoto Wataru
    • Journal Title

      Plant and Cell Physiology

      Volume: 59 Pages: 1099~1103

    • DOI

      10.1093/pcp/pcy077

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Possible role of protein degradation as a signaling mechanism in chloroplasts2018

    • Author(s)
      Sakamoto W.
    • Organizer
      1st Asia-Oceania International Congress on Photosynthesis
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Regulation of FtsH function and proper FtsH turnover in the PSII repair cycle.2018

    • Author(s)
      Kato, Y., Hyodo, K., and Sakamoto, W.
    • Organizer
      1st Asia-Oceania International Congress on Photosynthesis
    • Invited
  • [Presentation] Chloroplast DNA degradation serving as nutrient reservoir in plants.2018

    • Author(s)
      Sakamoto, W. and Takami, T.
    • Organizer
      Japan-Finland Seminar 2018-Shaping photosynthesis against climate change and toward efficient water and nutrient management.
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Chloroplast protein degradation and beyond: DtsH and a possible peptide export.2018

    • Author(s)
      Sakamoto, W., Nishimura K., and Kato, Y.
    • Organizer
      International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Biogenesis
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Contribution of chloroplast DNA degradation by DPD1 exonuclease under phosphate deficient condition2018

    • Author(s)
      Takami T. and Sakamoto W.
    • Organizer
      International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Biogenesis
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effects of oxidative post-translational modification in PSII repair2018

    • Author(s)
      Kato, Y., DOgra, V., Li, M., Kuroda, H., Takahashi, Y., Kim, C., and Sakamoto, W.
    • Organizer
      International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Biogenesis
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] VIPP1, the membrane integrity-maintaining protein in chloroplasts, has GTPase activity in vitro2018

    • Author(s)
      Ohnishi, N., Zhang, L., and Sakamoto, W.
    • Organizer
      International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Biogenesis
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 光合成の機能維持にはタンパク質分解酵素自身の品質管理が重要

    • URL

      http://www.rib.okayama-u.ac.jp/researchactivity/20181213-1.html

  • [Remarks] オルガネラDNAを自己分解してリン栄養分にする生命現象の発見

    • URL

      http://www.rib.okayama-u.ac.jp/researchactivity/20181119-1.html

  • [Remarks] 葉緑体DNAダイナミクスの総説

    • URL

      http://www.rib.okayama-u.ac.jp/researchactivity/20180628-2.html

  • [Remarks] 葉緑体の機能維持に重要な新奇GTPaseの発見

    • URL

      http://www.rib.okayama-u.ac.jp/researchactivity/20180521-1.html

URL: 

Published: 2019-12-27  

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