根端メリステム構築を担う Root meristem growth fac- tor (RGF) 松林 嘉克 基礎生物学研究所 Root meristem growth factor, an secreted peptide signal involved in root meristem development Yoshikatsu Matsubayashi National Institute for Basic Biology 要約 : Root meristem growth factor (RGF) is a 13 - amino - acid tyrosine - sulfated peptide involved in maintenance of the root stem cell niche in Arabidopsis. RGF was identified in a search for sulfated peptides that recover root meristem defects of the tpst - 1 mutant in combination with in silico screening of genes encoding sulfated peptides and practical bioassays using synthetic sulfated peptides. This approach is based on the as- sumption that the severe short root phenotype of the tpst - 1 mutant reflects deficiencies in the biosynthesis of all the functional tyrosine - sulfated peptides. RGFs are produced from ≈ 100 - amino - acid precursor peptides via post - translational sulfation and proteolytic processing. RGF fam- ily peptides are expressed mainly in the stem cell area and the innermost layer of central columella cells. RGF peptides regulate root develop- ment by upregulating PLETHORA transcription factor which are specifically expressed in root meristem and mediate patterning of the root stem cell niche. 特集 植物の生長調節■ Regulation of Plant Growth & Development Vol.48, No.1, 54-59, 2013 植物化学調節学会■ The Japanese Society for Chemical Regulation of Plants はじめに 植物の根の先端にある根端分裂組織は,ほとんど分 裂しない静止中心と呼ばれる細胞群と,それを取り囲む分 裂性の高い始原細胞からなっている(図 1).人為的に静 止中心細胞の一部を破壊すると,静止中心細胞に接してい る始原細胞(幹細胞)が未分化状態を維持できなくなり分 化してしまうことから,何らかのシグナル物質が静止中心 細胞から周囲の細胞に向かって出ているのではないかと考 えられている(van den Berg et al. 1997).このシグナルの 実態を解明しようと,静止中心細胞や始原細胞などにおい て特異的発現を示す遺伝子群の同定が試みられてきた. 本稿で紹介する RGF は,こうしたシグナルの有力な候 補のひとつと考えられる分泌型ペプチドである(Matsuzaki et al. 2010).しかし RGF は,特定細胞のトランスクリプトー ムや変異株スクリーニングで見出されたわけではない.現 在の植物分子生理学において最大の障壁となっているの は,植物特有の遺伝子重複による,逆遺伝学的手法の適用 の難しさである.興味深い遺伝子が見つかったとしても, 同じ機能を持つ遺伝子が複数ある場合は,遺伝子ファミ リーのうちのひとつやふたつを破壊したところで何も表現 型を示さないため,ファミリー全体としての機能を探るこ とは容易ではない. こうした状況の中,筆者らは植物の短鎖ペプチドにしば しば見出される翻訳後修飾に関与する酵素の変異株の表現 型に着目して,新しいペプチドシグナルの探索を試みてい る.翻訳後修飾ペプチドシグナルの多くは,翻訳後修飾を 受けることではじめて本来の機能を示すため,翻訳後修飾 酵素の遺伝子を破壊すると,その支配下にあるすべての修 飾ペプチドシグナルが正常につくられなくなり,結果的に 図 1 シロイヌナズナの根端メリステムの構造. ほとんど分裂しない静止中心と呼ばれる細胞群と,それを 取り囲む分裂性の高い始原細胞からなっている. The Japanese Society for Chemical Regulation of Plants (JSCRP) NII-Electronic Library Service
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Root meristem growth factor, an secreted peptide signal involved in root meristem developmentYoshikatsu MatsubayashiNational Institute for Basic Biology
要約 : Root meristem growth factor (RGF) is a 13-amino-acid tyrosine-sulfated peptide involved in maintenance of the root stem cell niche in Arabidopsis. RGF was identified in a search for sulfated peptides that recover root meristem defects of the tpst-1 mutant in combination with in silico screening of genes encoding sulfated peptides and practical bioassays using synthetic sulfated peptides. This approach is based on the as-sumption that the severe short root phenotype of the tpst-1 mutant reflects deficiencies in the biosynthesis of all the functional tyrosine-sulfated peptides. RGFs are produced from ≈ 100-amino-acid precursor peptides via post-translational sulfation and proteolytic processing. RGF fam-ily peptides are expressed mainly in the stem cell area and the innermost layer of central columella cells. RGF peptides regulate root develop-ment by upregulating PLETHORA transcription factor which are specifically expressed in root meristem and mediate patterning of the root stem cell niche.
特集� 植物の生長調節■ Regulation of Plant Growth & Development Vol.48, No.1, 54-59, 2013
植物化学調節学会■ The Japanese Society for Chemical Regulation of Plants
はじめに植物の根の先端にある根端分裂組織は,ほとんど分
裂しない静止中心と呼ばれる細胞群と,それを取り囲む分裂性の高い始原細胞からなっている(図 1).人為的に静止中心細胞の一部を破壊すると,静止中心細胞に接している始原細胞(幹細胞)が未分化状態を維持できなくなり分化してしまうことから,何らかのシグナル物質が静止中心細胞から周囲の細胞に向かって出ているのではないかと考えられている(van den Berg et al. 1997).このシグナルの実態を解明しようと,静止中心細胞や始原細胞などにおいて特異的発現を示す遺伝子群の同定が試みられてきた.本稿で紹介する RGFは,こうしたシグナルの有力な候
補のひとつと考えられる分泌型ペプチドである(Matsuzaki et al. 2010).しかしRGFは,特定細胞のトランスクリプトームや変異株スクリーニングで見出されたわけではない.現在の植物分子生理学において最大の障壁となっているのは,植物特有の遺伝子重複による,逆遺伝学的手法の適用の難しさである.興味深い遺伝子が見つかったとしても,同じ機能を持つ遺伝子が複数ある場合は,遺伝子ファミリーのうちのひとつやふたつを破壊したところで何も表現型を示さないため,ファミリー全体としての機能を探ることは容易ではない.こうした状況の中,筆者らは植物の短鎖ペプチドにしば
出・解析法について説明しておく.分泌型ペプチドは細胞間隙すなわちアポプラストに局在しているが,組織ごと破砕・抽出してしまうと,大過剰の細胞質由来成分に邪魔されて,微量な分泌型ペプチドの分析は不可能になってしまう.そこで筆者らは,シロイヌナズナを過湿条件で培養した際にしばしば観察されるガラス化と呼ばれる現象に着目した.ガラス化とは,過湿により組織表面のクチクラ層が失われ,細胞間隙に水が浸入して葉が半透明化している状態を指すが,この時浸入した水にはアポプラスト成分が高純度で抽出されている.そこで,シロイヌナズナを直接液体培地中に播種し,水中で培養することにより積極的にガラス化させると,植物体の細胞間隙から拡散してくるアポプラスト成分を培地中に回収することができる(Ohyama et al. 2008).さらに,培地から様々な二次代謝産物を除去しペプチド成分のみを取り出すには,オルトクロロフェノール抽出とアセトン沈殿を用いる.オルトクロロフェノールはフェノールよりも酸性度が高いため水素結合を形
The Japanese Society for Chemical Regulation of Plants (JSCRP)
The Japanese Society for Chemical Regulation of Plants (JSCRP)
NII-Electronic Library Service
植物の生長調節 Vol. 48, No. 1, 201358
GOLVENである.RGFペプチドを与えるもしくは過剰発現させると根が wavingする(重力方向にまっすぐではなく波打ちながら伸びる)ことから,RGFファミリーにGOLVENと別名をつけて,これらが重力屈性に関与するとする説である(Whitford et al. 2012).GOLVENがオーキシン排出輸送体である PIN2の局在に影響を与え,オーキシンの極性輸送を制御しているとしているが,RGFを生産できない tpst-1変異株における根端のオーキシン分布は野性株と変わらないことが既に示されている(Matsuzaki et al. 2010).また,tpst-1変異株における重力屈性は(根
は短いものの)正常であることから,RGF(GOLVEN)が重力屈性に関与する可能性には筆者は否定的である.また,RGF(GOLVEN)を過剰発現させると側根形成が阻害されるため,側根形成への関与を指摘する報告もあるが(Fer-nandez et al. 2013),RGFを異所的に発現させると細胞分化を抑制する PLTの発現レベルが顕著に上昇するため,側根分化が阻害されても不思議ではない.また,CLEペプチドのひとつ CLE18の配列中に RGFモチーフが見出されることから,RGFファミリーを CLE-
like(CLEL)と命名して,waving活性などを解析しているグループもある(Meng et al. 2012).このグループの報告では,重力屈性を示さない変異株でも RGF(CLEL)依存的な wavingが観察されることが明記されており,RGFが重力屈性に関与する可能性は否定されている.
おわりにシロイヌナズナの根端は,始原細胞群を含む細胞分
裂の盛んなメリステム領域と基部側の細胞伸長領域の 2つの領域に大別される.メリステム領域は細胞分裂の活性の高い細胞を供給しているが,細胞伸長領域では細胞分裂の活性は低下し,長軸方向へ急激に肥大して根が伸長する.この過程はメリステム領域と細胞伸長領域との境界に存在する位置情報により制御されているものと考えられており,古くから制御因子の探索が行なわれてきた.極性輸送によって形成されるオーキシンの濃度勾配が,根端における主たる位置情報であるという考え方が広く受け入れられており(Grieneisen et al. 2007),この濃度勾配により転写因子 PLTのグラジエントが規定されて,メリステム領域と細胞伸長領域との境界が決まるとする説が提唱されている(Galinha et al. 2007).こういった背景から,tpst-1変異株の根が非常に短い表現型を,オーキシン生合成遺伝子群の発現量と関連づけようとする報告もあるが(Zhou et al. 2010),筆者らの解析では tpst-1変異株の根端におけるオーキシン分布は野性株と変わりないことが確かめられている.また,根端で発現している RGF遺伝子群の発現はオーキシンの影響をほとんど受けない.このことは,RGFはオーキシンとはかなり独立して機能していることを意味している.筆者らの発見により,分泌型ペプチドシグナルが,PLTタンパク質の発現制御を介して根端分裂組織の形成に重要な役割を担っていることが明らかとなった.オーキシンを中心として考えられてきた根の形態形成機構に,これまで予想もされなかった全く新しい因子が加わったことになる.RGFペプチドの受容機構と PLTまでの情報伝達,そして RGFの細胞特異的な発現制御に関わる上流因子の解明が次なる課題である.
The Japanese Society for Chemical Regulation of Plants (JSCRP)
NII-Electronic Library Service
植物の生長調節 Vol. 48, No. 1, 2013 59
参 考 文 献
Aida, M, Beis, D, Heidstra, R, Willemsen, V, Blilou, I, Galinha, C, Nus-saume, L, Noh, YS, Amasino, R and Scheres, B (2004) The PLETHORA genes mediate patterning of the Arabidopsis root stem cell niche. Cell 119 : 109-120.
Amano, Y, Tsubouchi, H, Shinohara, H, Ogawa, M and Matsubayashi, Y (2007) Tyrosine-sulfated glycopeptide involved in cellular prolif-eration and expansion in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci USA 104 : 18333-18338.
Fernandez, A, Drozdzecki, A, Hoogewijs, K, Nguyen, A, Beeckman, T, Madder, A and Hilson, P (2013) Transcriptional and Functional Classification of the GOLVEN/ROOT GROWTH FACTOR/CLE-Like signaling peptides reveals their role in lateral root and hair formation. Plant Physiol 161 : 954-970.
Galinha, C, Hofhuis, H, Luijten, M, Willemsen, V, Blilou, I, Heidstra, R and Scheres, B (2007) PLETHORA proteins as dose-dependent master regulators of Arabidopsis root development. Nature 449 : 1053-1057.
Grieneisen, VA, Xu, J, Maree, AF, Hogeweg, P and Scheres, B (2007) Auxin transport is sufficient to generate a maximum and gradient guid-ing root growth. Nature 449 : 1008-1013.
Komori, R, Amano, Y, Ogawa-Ohnishi, M and Matsubayashi, Y (2009) Identification of tyrosylprotein sulfotransferase in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci USA 106 : 15067-15072.
Matsubayashi, Y (2011) Post-translational modifications in secreted peptide hormones in plants. Plant Cell Physiol 52 : 5-13.
Matsubayashi, Y and Sakagami, Y (1996) Phytosulfokine, sulfated pep-tides that induce the proliferation of single mesophyll cells of Aspara-gus officinalis L. Proc Natl Acad Sci USA 93 : 7623-7627.
Matsuzaki, Y, Ogawa-Ohnishi, M, Mori, A and Matsubayashi, Y (2010) Secreted peptide signals required for maintenance of root stem cell
niche in Arabidopsis. Science 329 : 1065-1067.Meng, L, Buchanan, BB, Feldman, LJ and Luan, S (2012) CLE-like (CLEL) peptides control the pattern of root growth and lateral root de-
velopment in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci USA 109 : 1760-1765.Moore, KL (2003) The biology and enzymology of protein tyrosine
O-sulfation. J Biol Chem 278 : 24243-24246.Ohyama, K, Ogawa, M and Matsubayashi, Y (2008) Identification of a
biologically active, small, secreted peptide in Arabidopsis by in silico gene screening, followed by LC-MS-based structure analysis. Plant J 55 : 152-160.
van den Berg, C, Willemsen, V, Hendriks, G, Weisbeek, P and Scheres, B (1997) Short-range control of cell differentiation in the Arabidop-sis root meristem. Nature 390 : 287-289.
Whitford, R, Fernandez, A, Tejos, R, Perez, AC, Kleine-Vehn, J, Van-neste, S, Drozdzecki, A, Leitner, J, Abas, L, Aerts, M, Hoogewijs, K, Baster, P, De Groodt, R, Lin, YC, Storme, V, Van de Peer, Y, Beeck-man, T, Madder, A, Devreese, B, Luschnig, C, Friml, J and Hilson, P (2012) GOLVEN secretory peptides regulate auxin carrier turnover during plant gravitropic responses. Dev Cell 22 : 678-685.
Zhou, W, Wei, L, Xu, J, Zhai, Q, Jiang, H, Chen, R, Chen, Q, Sun, J, Chu, J, Zhu, L, Liu, CM and Li, C (2010) Arabidopsis Tyrosylpro-tein sulfotransferase acts in the auxin/PLETHORA pathway in regulat-ing postembryonic maintenance of the root stem cell niche. Plant Cell 22 : 3692-3709.