植物細胞の環境ストレスに応答するNa^+とK^+輸送系の解明

• 研究課題/領域番号: 15380070
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 応用生物化学
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 魚住 信之 名古屋大学, 生物機能開発利用研究センター, 教授 (40223515)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 10,200千円 (直接経費: 10,200千円); 2004年度: 4,600千円 (直接経費: 4,600千円); 2003年度: 5,600千円 (直接経費: 5,600千円)
• キーワード: Naトランスポーター / Kトランスポーター / Kチャネル / AtHKT1 / HKT / Ktr / シロイヌナズナ / ラン藻 / EF-hand / K^+ / らん藻 / KUP / スフェロプラスト / 大腸菌 / プロトン駆動力

研究概要

1 ラン藻(Synechocystis sp. strain PCC 6803)のKtr系は、Naで活性化されるK輸送体であることが分かった。K輸送活性がCCCPの添加で阻害され、呼吸鎖が変異してH駆動力が解消された変異株では輸送活性が検出できなかったことから、H駆動力がKtr系輸送体に関与することが強く示唆された。また、ラン藻に高浸透圧ストレスを与えるとKの流出が起きることが分かった。ラン藻のKtr系変異株では、そのK流出を補うKの取込みが起こらないことが分かった。この結果から、Ktr系は浸透圧変化に適応するのに必須なK取込み系として機能していることが明らかとなった。
2 微生物と植物のKtr/HKT系トランスポーターは8回の膜貫通構造をとる。第8番目の膜貫通領域に存在する正電荷アミノ酸を他のアミノ酸に置換してイオン選択性への関与を検討した。野性株のArgからLysへの置換はイオン透過性が保持されたが、負電荷アミノ酸や極性のないアミノ酸への置換はイオン透過性が失われた。この正電荷アミノ酸は本輸送体の機能に重要であることが分かった。
3 KUP系輸送体の膜貫通構造を明らかにするために、試験管内翻訳・膜挿入系を用いた解析を試みたが、膜への挿入が起こらないことがわかった。そこで、大腸菌発現による方法で行い膜貫通領域を決定した。
4 シロイヌナズナKCO2チャネルのC末領域にはCaと結合すると予想されるEF-handが2つ連続に存在している。このN末側のEF-handにいくつかのアミノ酸置換を導入したところ、EF-hand内に2つあるCysを置換した場合に、K輸送活性の減少が観察された。このことから、EF-hand構造がK輸送に影響を与えていることが分かった。
5 シロイヌナズナのAtHKT1トランスポーターが地上部では通導組織で発現しており、本輸送系遺伝子の変異により道管にNaの蓄積が検出され、篩管にはNaが供給されないことが明らかとなった。AtHKT1は植物のNa循環系の一つとして機能していることが強く示唆された。

研究成果

• [雑誌論文] Mechanosensitivity of GIRK channels is mediated by PKC-dependent channel-PIP_2 interaction. (2004)
  • 著者名/発表者名: Zhang, L., Lee, J-K., John, S.A., Uozumi, N., Kadama, I.
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 279 ページ: 7037-7047
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Na^+-dependent K^+ uptake Ktr system from the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC6803 and its role in the early phases of cell adaptation to hyperosmotic shock. (2004)
  • 著者名/発表者名: Matsuda N, Kobayashi H, Katoh H, Ogawa T, Futatsugi L, Nakamura T, Bakker EP, Uozumi N.
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 279 ページ: 54952-54962
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Characterization of potassium channels from Arabidopsis thaliana (2004)
  • 著者名/発表者名: Ibuki T., Tokida Y., Matsuda N., Czempinski K., Muller-Roeber B., Ona T., Uozumi N.
  • 雑誌名: Improvement of forest resources for recyclable forest products ページ: 167-169
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Large-scale production of hairy root (2004)
  • 著者名/発表者名: Uozumi N.
  • 雑誌名: Recent progress of biochemical and biomedical engineering in Japan 2 ページ: 75-105
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Na^+-dependent K^+ uptake Ktr system from the cyanobacterium Synechocystis sp.PCC6803 and its role in the early phases of cell adaptation to hyperosmotic shock. (2004)
  • 著者名/発表者名: Matsuda N, Kobayashi H, Katoh H, Ogawa T, Futatsugi L, Nakamura T, Bakker EP, Uozumi N.
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 279 ページ: 54952-54962
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Characterization of potassium channels from Arabidopsis thaliana. (2004)
  • 著者名/発表者名: Ibuki T., Tokida Y., Matsuda N., Czempinski K., Muller-Roeber B., Ona T., Uozumi N.
  • 雑誌名: Improvement of forest resources for recyclable forest products ページ: 167-169
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Recent progress of biochemical and biomedical engineering in Japan. (2004)
  • 著者名/発表者名: Uozumi N.
  • 雑誌名: Recent progress of biochemical and biomedical engineering in Japan II. ページ: 75-105
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Mechanosensitivity of GIRK channels is mediated by protein kinase C-dependent channel-phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate interaction. (2004)
  • 著者名/発表者名: Zhang, L., Lee, J-K., John, S.A., Uozumi, N., Kadama, I.
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 279 ページ: 7037-7047
• [雑誌論文] Na^+-dependent K^+ uptake Ktr system from the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 and its role in the early phases of cell adaptation to hyperosmotic shock. (2004)
  • 著者名/発表者名: Mtsuda, N., Kobayashi, H., Katoh, H., Ogawa, T., Futatsugi, L., Nakamura, T., Bakker, E.P., Uozumi, N.
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 279 ページ: 54952-54962
• [雑誌論文] Characterization of potassium channels from Arabidopsis thaliana (2004)
  • 著者名/発表者名: Ibuki T., Tokida Y., Matsuda N., Czempinski K., Muller-Roeber B., Ona T., Uozumi N.
  • 雑誌名: Improvement of forest for recyclable forest products ページ: 167-169
• [雑誌論文] Functional analysis of AtHKT1 in Arabidopsis shows that Na^+ recirculation by the phloem is crucial for salt tolerance (2003)
  • 著者名/発表者名: Berthomieu, P., ら17名(Uozumi, N.は6番目)
  • 雑誌名: EMBO J. 22 ページ: 2004-2014
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Topogenesis of two transmembrane type K^+ channels, Kir 2.1 and KcsA (2003)
  • 著者名/発表者名: Umigai N, Sato Y, Mizutani A, Utsumi T, Sakaguchi M, Uozumi N
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 278 ページ: 40373-40384
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Addition of a peptide tag at the C terminus of AtHKT1 inhibits its Na^+ transport. (2003)
  • 著者名/発表者名: Kato Y., Hazama A., Yamagami M., Uozumi N.
  • 雑誌名: Biosci.Biotech.Biochem. 67 ページ: 2291-2293
  • NAID: 110002698778
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Functional analysis of AtHKT1 in Arabidopsis shows that Na^+ recirculation by the phloem is crucial for salt tolerance. (2003)
  • 著者名/発表者名: Berthomieu, P., Conejero G, Nublat A., Brackenbury W.L.Lambert C., Savio, C., Uozumi, N., Oiki, S., Yamada, K., Cellier, F., Gosti, F., Simonneau, T., Essah, P.A., Tester, M., Very, A-A, Sentenac, H., Casse, F.
  • 雑誌名: EMBO J. 22 ページ: 2004-2014
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Topogenesis of two transmembrane type K^+ channels, Kir 2.1 and KcsA. (2003)
  • 著者名/発表者名: Umigai N, Sato Y, Mizutani A, Utsumi T, Sakaguchi M, Uozumi N.
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 278 ページ: 40373-40384
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Metabolic communication in plant : Development of plant molecular physiology (2003)
  • 著者名/発表者名: Sato Y, Mizutani A, Uozumi N.
  • 雑誌名: Protein, nucleous and enzyme 48 ページ: 2052-2060
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] 植物の代謝コミュニケーション 植物分子生理学の新展開 蛋白質核酸酵素増刊号48 (2003)
  • 著者名/発表者名: 佐藤陽子, 水谷昭文, 魚住信之
  • 出版者: 共立出版
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 佐藤陽子, 水谷昭文, 魚住信之: "K^+イオン輸送系の植物成長と塩感受性への役割"蛋白質核酸酵素増刊号 共立出版. 48・15. 2052-2060 (2003)
• [文献書誌] Berthomieu, P., et al.: "Functional analysis of AtHKTl in Arabidopsis shows that Na^+ recirculation by the phloem is crucial for salt tolerance"EMBO J.. 22. 2004-2014 (2003)
• [文献書誌] Kato Y., Hazama A., Yamagami M., Uozumi N.: "Addition of a peptide tag at the C terminus of AtHKTl inhibits its Na^+ transport"Biosci.Biotech.Biochem.. 67. 2291-2293 (2003)
• [文献書誌] Umigai, N., et al.: "Topogenesis of two transmembrane type K^+ channels, Kir 2.1 and KcsA"J.Biol.Chem.. 278. 40373-40384 (2003)
• [文献書誌] Zhang, L., Lee, J-K., John, S.A., Uozumi, K., Kadama, I.: "Mechanosensitivity of GIRK channels is mediated by PKC-dependent channel-PIP_2 interaction"J.Biol.Chem.. In press. (2004)
• [文献書誌] 水谷昭文, 佐藤陽子, 松田信行, 加藤靖浩, 魚住信之: "植物カリウムイオン輸送系と生理的役割"植物細胞工学別冊 秀潤社. 18. 40-47 (2003)