植物細胞における液胞機能のダイナミクス

1993 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 05304005
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 前島 正義 北海道大学, 低温科学研究所, 助教授 (80181577)
• 研究分担者: 田中 國介 京都府立大学, 農学部, 教授 (90027194) ; 中村 研三 名古屋大学, 農学部, 教授 (80164292) ; 西村 いくこ 岡崎国立共同研究機構, 基礎生物学研究所, 助手 (00241232) ; 大隅 良典 東京大学, 教養学部, 助教授 (30114416) ; 二井 将光 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (50012646)
• キーワード: 液胞 / 液胞型アデノシントリホスファターゼ / ピロホスファターゼ / 細胞内タンパク質輸送 / タンパク質顆粒 / 貯蔵タンパク質 / 自食作用 / プロテアーゼ

研究概要

液胞は、高等植物、藻類、菌類の細胞に普遍的に存在するオルガネラであり、イオン、代謝産物の貯蔵部位として機能し、細胞質イオンの調節、生体成分の分解とリサイクルに寄与している。液胞機能は、種、組織、生理的生育段階により異なり、外部環境に応じて変動する。液胞のもつ多様な機能とその変遷の機構を分子レベルで解明することを目的に多角的な解析を進め、以下の知見を得た。
1液胞機能分子の解析 液胞機能の駆動部とも呼ぶべき液胞型H^+-ATPaseについて、新しい特異的阻害剤Concanamycin Aの発見と解析(二井)、ホヤを含む動物界での普遍的分布とサブユニット構成の動物・植物間での相違(二井)、下等植物カサノリ酵素の一次構造解析(池田)、物質集積能の高い果実の液胞での2種ATPaseの存在など新しい知見を得た。また、もう一つの液胞膜プロトンポンプであるH^+-PPaseについては、cDNA解析と精製酵素標品での解析により73kDaタンパク質のみで酵素機能を発現し得ることを明らかにし、本酵素がプロトンポンプのモデル分子と成りえることを示した(田中、前島)。
2液胞の物質集積と分解機能の解析 液胞の物質貯蔵機能が顕著に示されるタンパク質の蓄積過程を解析し、合成されたタンパク質が液胞に正しく輸送されるために必要なシグナルとしてAsn-Pro-Ile-Arg-Leuの配列が必要不可欠であることをサツマイモ塊根タンパク質を対象にして明らかにし(中村)、また、貯蔵タンパク質のプロペプチドの切断に関与するプロセシング酵素を初めて単離し、シグナル配列のAsnのカルボキシル側で切断する特異性をもつこと、液胞のマトリクスに局在することを証明した(西村)。そして液胞内での貯蔵タンパク質分解に関与するシステインプロテアーゼの酵素学的特性、合成局在化機構を明らかにした(南川)。一方酵母液胞は栄養飢餓状態で自食作用、すなわち細胞質生体成分とオルガネラの自己消化を行うことを見いだし、さらにその機能を欠く変異株も単離した(大隅)。
3液胞形成の解析 酵母では分裂後、複数の小液胞が融合して大きな液胞に発達するが、液胞の融合が進まない変異株等を発見単離し、その遺伝子も特定した(和田)。イネ培養細胞系をもちい、ゴルジ装置の膜に固有のタンパク質を単離解析し、液胞形成に関わるゴルジ装置の役割の解析を進めた(三ツ井)。さらに液胞の機能変異に関して、種子タンパク質顆粒の液胞化の分析を行い、発芽過程でタンパク質顆粒膜固有のタンパク質が消失する一方、液胞膜特有のH^+-ATPase,H^+-PPaseが誘導合成されることを見いだした(前島、西村)。

研究成果

• [文献書誌] Tsukada,M.: "Isolation of and characterization of autophagy-defective mutants of Saccharomyces cerevisiae." FEBS Letters. 333. 169-174 (1993)
• [文献書誌] Baba,M.: "Ultrastructural analysis of the autophagic process in yeast:Detection of autophagosomes and their characterization." Journal of Cell Biology. (印刷中). (1994)
• [文献書誌] Hara-Nishimura,I.: "Vesicle transport and processing of the precursor to 2S albumin in pumpkin." The Plant Journal. 4. 793-800 (1993)
• [文献書誌] Hara-Nishimura,I.: "Molecular Characterization of a vacuolar processing enzyme related to a putative cystein proteinase of Schistos oma mansoni." The Plant Cell. 5. 1651-1659 (1993)
• [文献書誌] Hiraiwa,N.: "A vacuolar processing enzyme in maturing and germinating seeds:Its distribution and assicated changes during development." Plant Cell Phy siology. 34. 1197-1204 (1993)
• [文献書誌] Hosaka,M.: "Tonoplast H^+-ATPase of mature pear fruit." Phytochemistry. (1994)
• [文献書誌] Tanaka,Y.: "Molecular cloning of cDNA for vacuolar membrane proton-translacating in organic pyrophosphatase in Hordeum vulgare." Biochemistry and Biophysics Research Communications. 190. 1110-1114 (1993)
• [文献書誌] Moriyama,Y.: "Energy-dependent accumulation of neuron blockers causes selective inhibition of neurotransmitter uptakes by brain synaptic vesicles." Archieves of biochemistry and Biophysics. 305. 278-281 (1993)
• [文献書誌] Moriyama,Y.: "Evidence for a common binding site for omeprazole and N-ethylmaleiminde in subunit a of chromaffin granule vacuolar-type H^+-ATPase." Biochemical and Biphysical Research Communications. 196. 699-706 (1993)
• [文献書誌] Kasai,M.: "Effect of in vivo treatment with abscisic acid and/or cytokinin on activities of vacuolar H^+ pumps of tonoplast-enriched membrane vesicles prepared from barley roots." Plant Cell Physiology. 34. 1107-1115 (1993)
• [文献書誌] Kimura,S.: "Structure and function of the Golgi complex in rice cells:Characterization of Golgi membrane glycoproteins." Plant Cell Physiology. 34. 855-863 (1993)
• [文献書誌] Sakamoto,A.: "Cloning and sequencing analysis of a complementary DNA for manganese-superoxide dismutase from rice(Oryzasativa L.)." Plant Physiology. 103. 1477-1478 (1993)
• [文献書誌] Maeshima,M.: "Distribution of vacuolar H^+-pyrophosphatase and a membrane integral protein in a variety of green plants." Plant Cell Physiologoy. 35. 323-328 (1994)
• [文献書誌] Hirai,M.: "cDNAs encoding storage proteins in the tubers of taro(Calocasia Esculenta Scot)." Japanese Journal of Genetics. 68. 229-236 (1993)
• [文献書誌] Morikami,A.: "Molecular cloning and characterization of cDNA for the γ- and ε-subunits of mitochondrial F_1F_0-ATP synthase from the sweet potato." Journal of Biological Chemistry. 268. 17205-17210 (1993)
• [文献書誌] 前島正義: "種子発芽期における細胞オルガネラの構築と変換" 植物細胞工学. 5. 153-164 (1993)
• [文献書誌] 西村いくこ: "液胞タンパク質前駆体のための輸送ベシクルとプロセシング" 植物細胞工学. 5. 348-356 (1993)
• [文献書誌] 前島正義: "植物液胞膜プロトンポンプの分子構造と細胞機能" 日本農芸化学会誌. 68. 7-14 (1994)