植物の可塑性を支える、mRNA前駆体の３’UTRを制御する分子機構

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 22K06279
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 柘植 知彦 京都大学, 化学研究所, 准教授 (50291076)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: mRNA代謝 / 選択的ポリアデニル化 / 3'UTR / Cleavage Factor I / COP9シグナロソーム

研究実績の概要

本課題では、光環境の変化に適応する植物をモデルに用い、CFI がmRNA前駆体の3'UTRを制御する分子機構を解明する。
pre-mRNAの3'UTR切断部位を決定するプロセスで重要な役割を担うCFIタンパク質複合体の全構成因子を植物で同定し、研究基盤を整備する。pre-mRNAには複数のポリアデニル化部位が存在し、その選択により異なった構造をもつ成熟mRNAができる。選択的ポリアデニル化は、3'UTRの構造やmiRNA標的などによる安定性、転写産物の局在、翻訳産物の多様化に貢献する。特にCFIが3'UTRの選択的ポリアデニル化制御に不可欠と考えられる。
本年度は、シロイヌナズナでCFI構成因子（AtCFI）を単離して、植物における機能を解析した。これまでの成果は、国内外の学会、論文などに発表した。以下その成果の一部を列記する。
１）AtCFIは、AtCFI 25a、AtCFI 25b、AtCFI 59、AtCFI 68、により構成され、核において、AtCFI 25aとAtCFI 59、AtCFI 25aとAtCFI 68がそれぞれ共局在する。また、AtCFI 59とAtCFI 68も共局在することから、CFIを構成するサブユニット構成の組み合わせは多様と考えられた。
２）免疫沈降とLC-MSを組み合わせた生化学的実験などから、AtCFIの構成因子が相互に確認でき、シロイヌナズナにおいてCFIがタンパク質複合体として存在することが判明した。
３）AtCFI構成因子の機能欠損変異植物を同定し、その多重変異体を作製した。AtCFI 25aの機能欠損変異体は形態形成に異常を示した。またAtCFI 59とAtCFI 68の機能欠損変異体は、1遺伝子変異では異常を示さないが、２重欠損変異体で形態形成に異常を示したことから、AtCFI 59とAtCFI 68には重複した機能があると考えられた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

機能欠損植物の詳細な形態解析とともに、AtCFI構成因子をコードする遺伝子群の3'UTR切断部位の同定を3'-RACE法とPAT-seq法を用いて解析している。これらの研究結果は順次得られているので、現在詳細な解析を進めている。
特に、AtCFIがAtCFI構成因子をコードする遺伝子に対して自己制御している結果が得られていて、興味深い。また、それらのpre-mRNAの3'UTR切断部位制御の依存度も異なることから、AtCFIが多様な遺伝子の転写産物を制御する際の貢献度を決める別の因子が存在すると考えられる。
これらの研究成果は、2つの国際学会発表、5つの国内学会発表、1つの招待講演、において公表（2022）するとともに、以下論文として発表している。
Zhang X, Nomoto M, Garcia-Leon M, Takahashi N, Kato M, Yura K, Umeda M, Rubio V, Tada Y, Furumoto T, Aoyama T, *Tsuge T. (2022) CFI 25 subunit of cleavage factor I is important for maintaining the diversity of 3′ UTR lengths in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Plant Cell Physiol, 63: 369-383.

今後の研究の推進方策

今後は、すでに進めている研究を継承・発展させるとともに、mRNA代謝制御因子群が機能するのにタンパク質分解制御機構がどのように必要であるのかその分子メカニズムの理解を目指す。複合的アプローチを通じて、複雑な制御機構の全貌をひも解くことをめざし、これまでの実験に加えて新たに以下の３点に焦点を絞る。
１）CFI機能欠損変異植物と野生型植物とを用いて、全ゲノム遺伝子の3'UTR切断部位の同定を3'-RACE法とPAT-seq法を組み合わせて比較解析する。これらの研究結果から、CFI機能に依存する遺伝子群とその特徴を評価解析する。
２）暗所から明所に環境を変化させた時の選択的ポリアデニル化の制御機構解析を行なう。
明条件の情報伝達経路を素過程に分けて扱う目的で、暗所で生育させた、野生型、CFI機能欠損植物、CSN機能欠損植物（恒常的光シグナル亢進）、光受容体変異植物（恒常的光シグナル欠損植物）に、光照射を行ない、RNA-seqを用いた全ゲノム発現解析を行なう。
３）CSNとCFIの機能欠損・機能改変植物を用い、CFIタンパク質複合体の構成因子の多様性とそれら分子種が制御する情報伝達経路と遺伝子発現機構の解析。

研究成果

• [国際共同研究] CNB-CSIC(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: CNB-CSIC
• [国際共同研究] Adam Mickiewicz University(ポーランド)
  • 国名: ポーランド
  • 外国機関名: Adam Mickiewicz University
• [雑誌論文] CFI 25 Subunit of Cleavage Factor I is Important for Maintaining the Diversity of 3? UTR Lengths in <i>Arabidopsis thaliana</i> (L.) Heynh. (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhang Xiaojuan、Nomoto Mika、Garcia-Le?n Marta、Takahashi Naoki、Kato Mariko、Yura Kei、Umeda Masaaki、Rubio Vicente、Tada Yasuomi、Furumoto Tsuyoshi、Aoyama Takashi、Tsuge Tomohiko
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 63 ページ: 369～383
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Arabidopsis PLDζ1 and PLDζ2 localize to post-Golgi membrane compartments in a partially overlapping manner (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimamura Ryota、Ohashi Yohei、Taniguchi Yukimi Yamamoto、Kato Mariko、Tsuge Tomohiko、Aoyama Takashi
  • 雑誌名: Plant Molecular Biology 巻: 108 ページ: 31～49
  • DOI: 10.1007/s11103-021-01205-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional Differentiation among the <i>Arabidopsis</i> Phosphatidylinositol 4-Phosphate 5-Kinase Genes <i>PIP5K1, PIP5K2</i> and <i>PIP5K3</i> (2022)
  • 著者名/発表者名: Watari Machiko、Kato Mariko、Blanc-Mathieu Romain、Tsuge Tomohiko、Ogata Hiroyuki、Aoyama Takashi
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 63 ページ: 635～648
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac025
  • 査読あり
• [学会発表] Shedding light on how CSN regulates signal transduction in plants and mammals ~ can it bridge proteolysis to pre-mRNA processing? (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomohiko TSUGE
  • 学会等名: Invited Special Seminar at Mulberry room at NIAB Crop Science Centre
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cleavage Factor I is essential for maintaining the diversity at the 3' ends of mRNA in plants. (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomohiko TSUGE
  • 学会等名: EMBO Workshop RNA 3' end formation and the regulation of eukaryotic genomes,
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Is CSN involved in pre-mRNA processing? - CSN binding protein complex CF1 is essential for maintaining the diversity at the 3' ends of mRNA. (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomohiko TSUGE
  • 学会等名: XI-ZOMES “PCI complexes - determining cell physiology by setting the course in protein turnover”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シロイヌナズナCleavage Factor IはmRNA前駆体の3'UTR切断部位の多様性に不可欠である (2022)
  • 著者名/発表者名: 張暁娟、Lukasz SZEWC、野元美佳、Marta GARCIA-LEON、加藤真理子、由良敬、Vicente RUBIO、多田安臣、古本強、青山卓史、Artur JARMOLOWSKI、柘植知彦*
  • 学会等名: 第10回植物RNA研究ネットワークシンポジウム
• [学会発表] ロイヌナズナ幼苗が初めて光を受容した時のリボソーム関連遺伝子の翻訳についての解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 植赤木千佳*、栗原志夫、蒔田由布子、河内正治、柘植知彦、青山卓史、松井南
  • 学会等名: 第86回植物学会年会
• [学会発表] mRNA 3'UTRの長さを制御するAtCFI 25の機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 張暁娟、野元美佳、Marta Garcia-Leon、高橋直紀、加藤真理子、由良敬、梅田正明、Vicente Rubio、多田安臣、古本強、青山卓史、柘植知彦*
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナ脱黄化における翻訳効率の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 赤木千佳*、栗原志夫、蒔田由布子、河内正治、柘植知彦、青山卓史、松井南
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナPLDζ1とPLDζ2は根においてそれぞれトランスゴルジネットワークとゴルジ後の膜コンパートメントに局在する (2022)
  • 著者名/発表者名: 島村亮太*、大橋洋平、谷口（山本）幸美、加藤真理子、柘植知彦、青山卓史
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会