種子植物の生殖に関わるRNA結合タンパク質PPRの分子進化と機能の解明

• 研究課題/領域番号: 11J00134
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 育種学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 藤井 壮太 京都大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(SPD)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2013
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 7,500千円 (直接経費: 7,500千円); 2013年度: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円); 2012年度: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円); 2011年度: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
• キーワード: ミトコンドリア / 共進化 / RNA代謝 / RNA制御

研究概要

本研究では35アミノ酸の縦列繰り返しモチーフであるpentatricopeptide repeat (PPR)タンパク質がRNAを認識するメカニズム, およびPPRファミリーの種子植物の生殖進化への関わりを明らかにすることを目的としている. 本研究ではPPRのうち, Rf-PPRと呼ばれるサブグループに着目した. Rf-PPRはPPRの中でも特に多様性が高く, ミトコンドリアのRNA配列に対応して進化してきている. アブラナ科のモデル植物シロイヌナズナを用いる事で, Rf-PPRの機能解析, 分子進化解析を行い, PPRとミトコンドリアゲノムの共進化の理解を目的とした.
平成25年度は, Rf-PPRのうち, シロイヌナズナRFL2のノックアウト系統を得て機能解析を行った. トランスクプトーム解析を用いて, rf12変異体ではミトコンドリアのorf291という遺伝子由来のRNAのみが異常に蓄積することを明らかにした. 転写末端解析により, RFL2はorf291のRNAを内部で切断する機構に関与していることが示された. RNA ge1-shift assayとPPRがRNAに結合する法則性より, RFL2が高い特異性を持っと思われるorf291上の15塩基のRNA配列を明らかにした. この配列はRNA切断サイトより上流約70塩基の位置にあったため, 直接切断を行う酵素は他に存在することが示唆された. 近年, 植物ではタンパク質性のRNase P (PRORP)が発見されており, この酵素が切断活性を持っている可能性が考えられた. 従ってミトコンドリア局在のPRORPのノックダウンを行ったところ, 予想通りorf291の切断活性が抑制された. これはアダプターとなるPPRが制限酵素PRORPをRNA切断サイトに呼び込んでいる機構を示唆しており, 二分子によるRNA代謝メカニズムの存在を明らかにした.

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

申請書に記載したPPRコードの解読は共同研究によって第一段階を達成することができた. さらに, RFL2が結合するRNA配列の最小単位を決定できただけに留まらず, 協調的に機能する可能性があるRNA切断酵素も見出す事ができた.

今後の研究の推進方策

(抄録なし)

研究成果

• [雑誌論文] Mutagenesis of Individual Pentatricopeptide Repeat Motifs Affects RNA Binding Activity and Reveals Functional Partitioning of Arabidopsis PROTONGRADIENT REGULATION3 (2013)
  • 著者名/発表者名: Fujii S, Sato N, Shikanai T
  • 雑誌名: Plant Cell 巻: 25 号: 8 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1105/tpc.113.112193
  • 査読あり
• [雑誌論文] Function of PPR proteins in plastid gene expression (2013)
  • 著者名/発表者名: Shikanai T, Fujii S
  • 雑誌名: RNA Biology 巻: 10 号: 9 ページ: 1-11
  • DOI: 10.4161/rna.25207
  • 査読あり
• [雑誌論文] The E domains of pentatricopeptide repeat proteins from different organelles are not functionally equivalent for RNA editing. (2013)
  • 著者名/発表者名: Chateigner-Boutin AL, Colas des francs-Small C, Fujii S. Okuda K, Tanz SK, Small I.
  • 雑誌名: Plant J. 巻: (印刷中) 号: 6 ページ: 935-945
  • DOI: 10.1111/tpj.12180
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rice MPR25 encodes a pentatricopeptide repeat protein and is essential for RNA editing of nad5 transcripts in mitochondria. (2012)
  • 著者名/発表者名: 戸田拓士
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 72 号: 3 ページ: 450-460
  • DOI: 10.1111/j.1365-313x.2012.05091.x
  • 査読あり
• [雑誌論文] A combinatorial amino acid code for RNA recognition by pentatricopeptide repeat proteins. (2012)
  • 著者名/発表者名: Barkan A, Rojas M, Fujii S, Yap A, Chong YS, Bond CS, Suall I.
  • 雑誌名: PLoS Genet 巻: 8 号: 8 ページ: e1002910-e1002910
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1002910
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rampant gene loss in the underground orchid Rhizanthella gardneri highlights evolutionary constraints on plastid genomes (2011)
  • 著者名/発表者名: Delannoy E, Fujii S, Colas des Francs-Small C, Brundrett M, Small
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution 巻: 28 号: 7 ページ: 2077-2086
  • DOI: 10.1093/molbev/msr028
  • 査読あり
• [雑誌論文] The evolution of RNA editing and pentatricopeptide repeat genes (2011)
  • 著者名/発表者名: Fujii S, Small I
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 191 号: 1 ページ: 37-47
  • DOI: 10.1111/j.1469-8137.2011.03746.x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transcriptome map of plant mitochondria reveals islands of unexpected transcribed regions (2011)
  • 著者名/発表者名: Fujii S, Toda T, Kikuchi S, Suzuki R, Yokoyama K, Tsuchida H, Yano K
  • 雑誌名: BMC Genomics 巻: 12 号: 1 ページ: 279-279
  • DOI: 10.1186/1471-2164-12-279
  • 査読あり
• [学会発表] Member of rapidly evolving PPR subfamily cleaves RNA transcribed from active mitochondrial rearrangement site (2013)
  • 著者名/発表者名: 藤井 壮太
  • 学会等名: International Conference of Plant Mitochondrial Biology
  • 発表場所: Ros Tower Hotel(ロサリオ, アルゼンチン)
  • 年月日: 2013-05-12
  • 招待講演
• [学会発表] 巨大RNA結合タンパク質ファミリーによる転写後制御システム (2013)
  • 著者名/発表者名: 藤井 壮太
  • 学会等名: 日本植物生理学会
  • 発表場所: 富山大学(富山県)
  • 年月日: 2013-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] RNA転写後制御システムの進化から見た細胞内共生の形 (2012)
  • 著者名/発表者名: 藤井壮太
  • 学会等名: 日本育種学会
  • 発表場所: 京都産業大学(京都府)(招待講演)
  • 年月日: 2012-09-14
• [学会発表] オルガネラ進化の色即是空と育種 (2012)
  • 著者名/発表者名: 藤井壮太
  • 学会等名: 日本育種学会第121回講演会
  • 発表場所: 宇都宮大学(宇都宮市)(招待講演)
  • 年月日: 2012-03-31
• [学会発表] Pentatr icopeptide repeatタンパク質PGR3の機能分化 (2012)
  • 著者名/発表者名: 藤井壮太
  • 学会等名: 日本植物生理学会
  • 発表場所: 岡山大学(岡山県)
  • 年月日: 2012-03-22
• [学会発表] Rapid evolution of pentatricopeptide repeat genes involved in organelle gene (2012)
  • 著者名/発表者名: Sota Fujii
  • 学会等名: 第53回日本植物生理学会
  • 発表場所: 京都産業大学(京都市)
  • 年月日: 2012-03-16
• [学会発表] Evolution of pentatricopeptide repeat gene reveals genetic conflict between nucleus and mitochondria in plant reproduction (2012)
  • 著者名/発表者名: Sota Fujii
  • 学会等名: Plant Reproduction for Food 2012
  • 発表場所: メルボルン(オーストラリア)(招待講演)
  • 年月日: 2012-02-16
• [学会発表] 種子植物におけるpentatricopeptide repeat遺伝子ファミリーの進化 (2011)
  • 著者名/発表者名: 藤井壮太
  • 学会等名: 日本遺伝学会第83回大会
  • 発表場所: 京都大学(京都市)
  • 年月日: 2011-09-20
• [学会発表] Diversifying selection of pentatricopeptide repeat genes reveal a conflict between nuclear and mitochondrial genomes throughout angiosperm evolution (2011)
  • 著者名/発表者名: Sota Fujii
  • 学会等名: Society for Molecular Biology and Evolution 2011
  • 発表場所: 京都大学(京都市)
  • 年月日: 2011-07-26
• [学会発表] Diversifying selection of restorer-like genes reveal a conflict between nuclear and mitochondrial genomes throughout angiosperm history (2011)
  • 著者名/発表者名: Sota Fujii
  • 学会等名: International Conference for Plant Mitochondrial Biology 2011
  • 発表場所: ホーエンローダ(ドイツ)(招待講演)
  • 年月日: 2011-05-13
• [図書] Advances in Botanical Research, Mitochondrial genome evolution (2013)
  • 著者名/発表者名: Budar F, Fujii S
  • 総ページ数: 446
  • 出版者: Elsevier