RNA顆粒Pボディーを介した環境応答

2013 年度 実績報告書

• 研究領域: 植物の環境感覚：刺激受容から細胞応答まで
• 研究課題/領域番号: 25120707
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 渡邊 雄一郎 東京大学, 総合文化研究科, 教授 (60183125)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 環境応答 / 遺伝子発現制御 / RNA顆粒 / シロイヌナズナ / 高温処理 / RNA分解 / miRNA

研究概要

発芽3日の植物ではいずれの細胞でも観察されたP-ボディーが,２週間後では多くの細胞でその数が減少するなかで、茎頂および根端分裂組織周辺では数多く存在していた。更に発生が進むと分裂組織でもかろうじて観察できる程度となった。P-ボディーは初期発生で重要な役割を持っていることが示唆された。
昨年度に引き続き、このP-ボディー可視化植物（DCP1:GFP相補体）に環境変化を与え、その動態を観察した。発芽14日後の植物体に高温処理（40℃）を与えたところ、平常の温度（22℃）での植物に比べ、P-ボディーの数、大きさ共に有意に増加した。同様の観察を別のＰ-body構成因子のDCP2:GFP相補体で行うとDCP1植物の場合と異なり、平常の温度ではあまり顆粒が認められなかった。これまでDCP1とDCP2いずれでもP-ボディーのマーカーとなるといわれてきたが、両マーカーでみえる顆粒状態が異なることが、今年度の解析によって初めて明らかにすることができた。このDCP2:GFP相補体に高温処理を施すとP-ボディーの数、大きさ共に有意に増加した。
それに対して、低温ストレス下（4℃）ではDCP1:GFP顆粒の数、大きさの増大が見られたのに対して、DCP2:GFP顆粒数はむしろ減少する傾向が認められた。ストレスの種類によって構成因子の挙動が異なることを初めて示すことができた。塩ストレスを与えた植物ではコントロール植物と比較して、P-ボディー顆粒数に差はなかったが、大きさのみ増加した。今回、生物学的ストレスとしてバクテリアPseudomonas syringaeの感染による変化としてDCP1:GFPの数の増加を認めることができた。発生過程の一環として種子においてもP-ボディーが存在することを認めた。興味深いことに種子組織内に特定のmiRNAが安定に存在していることも見いだした。

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

RNA顆粒であるP-ボディーの動態を、種々の環境変化－特に高温処理の前後で観察したところ、思いがけない発見が得られた。観察するためのマーカーとしてDCP1あるいはDCP2いずれを使うかで見える顆粒の状態が異なったのである。これはほ乳類、酵母などほかの真核生物では報告されていないことであり、植物特有の現象をとらえた可能性がある。両者が共存して初めて、予想されるmRNAの分解を介しての環境応答に応じた遺伝子発現制御、つまりあらたな遺伝子セットが発現し、別の遺伝子セットが抑制される図式が成り立つが、実際の細胞内ではより複雑な制御があることが強く示唆された。これは予想外の成果として論文発表を準備しているが、一方で実際の遺伝子発現制御の実態を明らかとする遺伝子プロファイルの解析等が遅れ気味である。
予定以外に研究成果が複数得られている。シロイヌナズナの初期発生において、他のマイクロRNAが合成されない中で、マイクロRNAの一種miR172のみの発現で花芽形成の遅延という表現型がある程度回復した。特定の少数miRNAがあれば発生を進行させる段階があることが初めて明らかとなった。また被子植物の種子のなかで胚発生は休眠状態にあるが、その状態でも長期間保存ののちにも特定のマイクロRNAが安定に保持されていることが明らかとなった。安定化の機構、これらのマイクロRNAの機能は非常に興味ぶかいトピックであり、今後の新たなトピックが生まれた。3'-5' RNA分解酵素Exosomeは真核生物で広く保存されて機能しているが、シロイヌナズナにおけるexosomeの一つのサブユニットRRP44Aの機能低下を人為的に起こさせた植物体を作成し、その作用から環境応答への関与を解析した中で、他の生物でしられているrRNAの前駆体以外に、特定のontologyに属すmRNAを特異的に認識している可能性が強く示唆された。

今後の研究の推進方策

RNA顆粒として記載されてきたP-ボディーの動態を、機能との関連で記述するために、遺伝子発現のプロファイルの変化を、あたえる環境変化の前後の比較からとらえる必要がある。そのための準備をしたところであるので、実際の解析を26年度に行う。

研究成果

• [雑誌論文] Arabidopsis AtRRP44A is the functional homolog of Rrp44/Dis3, an exosome component, is essential for viability and is required for RNA processing and degradation (2013)
  • 著者名/発表者名: Kumakura, N., Otsuki, H., Takeda, A. and Watanabe, Y.
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 8 ページ: e79219
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0079219
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dual regulation of AUXIN-RESPONSE-FACTOR3 gene expression by AS1-AS2, which maintains the status of DNA methylation, is involved in stabilization of leaf adaxial-abaxial partitioning in Arabidopsis. (2013)
  • 著者名/発表者名: Iwasaki, M., Takahashi, H., Iwakawa, H., Nakagawa, A., Ishikawa, T., Tanaka, H., Matsumura, Y., Pekker, I., Eshed, Y., Vial-Pradel, S., Ito, T., Watanabe, Y., Ueno, Y., Fukazawa, H., Kojima, S., Machida, Y., Machida, C.
  • 雑誌名: Development 巻: 140 ページ: 1958-1969
  • DOI: doi: 10.1242/dev.085365
  • 査読あり
• [学会発表] Analyses of Arabidopsis RRP44A. a catalytic center of RNA exosome (2014)
  • 著者名/発表者名: Kumakura, N., Otsuki, H.,Sato, M., Nomoto, M., Tada, Y., Takeda, A. and Watanabe, Y.
  • 学会等名: 第55回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 富山県 富山市
  • 年月日: 20140318-20140320
• [学会発表] 高温ストレス応答におけるRNA分解タンパク質DCP凝集機構とその役割 (2014)
  • 著者名/発表者名: 元村一基、Nhat Quy Le Thi、濱田隆宏、渡邊雄一郎
  • 学会等名: 第55回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 富山県 富山市
  • 年月日: 20140318-20140320
• [学会発表] 植物microRNAによる遺伝子発現制御の特異性に関する研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 唐戸俊介、都筑正行、竹田篤史、渡邊雄一郎
  • 学会等名: 第55回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 富山県 富山市
  • 年月日: 20140318-20140320
• [学会発表] mRNA stability regulator and RNA virus genome (2013)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, Y.
  • 学会等名: 10th International Congress of Plant Pathology
  • 発表場所: 中国 北京市
  • 年月日: 20130825-20140830
  • 招待講演
• [学会発表] 植物個体におけるデキャッピングタンパク質の挙動解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 元村一基、Nhat Quy Le Thi、渡邊雄一郎
  • 学会等名: 15th RNA Meeting
  • 発表場所: 愛媛県 松山市
  • 年月日: 20130724-20130726
• [備考] ラボから研究内容の発信：
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/RNAwatanabe/
• [備考] Plant molecular biology
  • URL: http://gpes.c.u-tokyo.ac.jp/faculty-staff/health-and-security/yuichiro-watanabe.html