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430 蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.51NO.5(2006)

Review

花芽をつくるときを決める制御システム

長期記憶を担うエピジェネティックな制御と長距離シグナルによる制御

山口礼子 ・阿部光知 ・荒木 崇

植物 は環境か らの情 報を手がか りに花芽 をつ くる時期 を決 める.環 境情報 は生活環 のさま ざま な 時期に異なる組織 で受容され,そ れ らが統合されて茎頂 に伝 え られる ことで,花 芽 の形成 が は じまる.シ ロイ ヌナズ ナを用いた研究か ら,こ の一連の過程 にた くみな制御 シス テムが はた らいている ことが明 らかにな った.冬 のあいだ受容された低温 とい う情報 は,エ ピジェネテ ィ ックな遺伝子発現の制御 機構 によ り記憶 される.そ の記憶 が,春 になって葉が 日長 を受容 し, 茎頂へ 輸送され花芽 の形 成を促すシグナル分子を産生 することを可能 にする.な がく謎 であ っ た この長距離シグナル分 子の実体も明かされつつある, 花成 春 化 エ ピジェネテ ィクス ク ロマ チ ン修 飾 光 周期 花成 ホルモ ン フロ リゲン は じめ に 植 物 は発 芽 して ひ とた び 根 を張 った 場 所 か ら移 動 で き な い.そ の た め,多 様 な 環 境 か らの 情 報 を 積 極 的 に取 り 入 れ,ま わ りの 環 境 に 柔 軟 に応 じて 発 生 を 行 な う.有 性 生 殖 の た め に 花 芽 の 形 成 を 開 始 す る タ イ ミ ン グの 決 定 は,植 物 の発 生 過 程 調 節 の な か で も と くに 重 要 な もの の ひ とつ で あ る.発 芽 後 の 植 物 の地 上 部 の器 官 は す べ て, 茎 頂 分 裂 組 織 と よば れ る 幹 細 胞 を 含 む 細 胞 集 団 に よ っ て つ くられ る.花 芽 形 成 を 開 始 す る 過 程 で,茎 頂 分 裂 組 織 か らつ くられ る 側 生 器 官 は,栄 養 器 官 で あ る 葉(葉 原 基) か ら生 殖 器 官 で あ る花(花 芽)へ と変 化 す る.こ れ は茎 頂 分 裂 組 織 にお け る発 生 プ ロ グ ラ ム の 大 き な 変 化 を意 味 す る. シ ロ イ ヌ ナ ズ ナ を用 い た 近 年 の研 究 か ら,花 芽 形 成 の 開 始(以 下 “花 成(flowering)” と い う 語 を 用 い る)の タ イ ミン グ を調 節 す る た くみ な 機 構 が 明 らか に な って き た. 季 節 の 移 り変 わ りを知 る 手 が か り とな る温 度 と 日 長 は, 花 成 時 期 の 調 節 に か か わ る 重 要 な 環境 情 報 で あ る.温 度 が 花 成 時 期 に影 響 を 与 え る 例 と して,冬 の あ い だ 長 期 に わ た っ て 低 温 を経 験 す る こ とで 花 成 が 早 ま る 春 化(ver nalization)と よ ば れ る現 象 が 知 られ て い る.春 化 の 過 程 で は,冬 に 環 境 情 報(温 度)が 受 容 され る が,そ の 効 果 が 発 揮 さ れ る の は春 が お とず れ て 適 切 な 日長 の も と に さ ら され て か らで あ り,こ こ に は 時 間 的 な 隔 た りが あ る.こ の よ う に,冬 を経 験 した こ とを 時 聞 を こ え て 記 憶 す る た め に,ク ロマ チ ン構 造 の 変 換 を 介 した エ ピ ジ ェ ネ テ ィ ッ ク な 遺 伝 子 発 現 状 態 の 維 持 機 構 が 利 用 さ れ て い る こ と が,こ こ 数 年 の 研 究 で 明 ら か に され つ つ あ る(図1a). 一方_{,日 長(昼 に あ た る 明 期 と夜 に あ た る 暗 期 の 組 合 せ} を 光 周 期(photoperiod)と い い,以 下,こ の 語 も用 い る) に よ る調 節 機 構(光 周 性)の 場 合 に は,古 くか らの研 究 に よ り,光 受 容 体 や 概 日時 計 に よ って 環 境 情 報(日 長)が 受 容 され る場 所 は葉 で あ る こ とが わ か っ て お り,そ の作 用 が 発 揮 さ れ る 場 で あ る 茎 頂 分 裂組 織 との あ い だ に は 空 間 的 な 隔 た りが あ る.ご く最 近 の研 究 は,長 年 探 索 され て きた 葉 と茎 頂 分 裂 組 織 の あ い だ を 結 ぶ 移 動 性 の シ グナ ル 物 質 “花 成 ホ ル モ ン(フ ロ リ ゲ ン)”の 分 子 的 な 実 体 を 明 らか に しよ う と して い る(図1b). 春 化 と光 周 期 とい う2つ の 環 境 情 報 は,と も に 花 芽 形 成 の プ ロ グ ラ ム を起 動 し花 成 の促 進 に は た ら く少 数 の 遺

Ayako Yamaguchi,Mitsutomo Abe,Takashi Araki,京 都 大 学 大 学 院 理 学 研 究 科 生 物 科 学 専 攻 植 物 学 教 室 形 態 統 御 学 分 科 E-mai1:taraqui@cosmos.bot.kyoto-u.ac.jp http://cosmos.bot.kyoto-u.ac.jp/Araki-Lab/index.html

Genetic network of regulatory pathways to control floral transition:temporal and spatial aspects

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伝 子 を 転 写 制 御 の 標 的 と し て い る.野 外 で は,こ れ らの 遺 伝 子 は 秋 か ら冬 に か け て 春 化 に よ る転 写 制 御 を 受 け, 春 を迎 え る と光 周 期 に よ る転 写 制 御 を受 け る.こ う した 花 成 時 期 を調 節 す る複 数 の 情 報 が 共 通 の 転 写 標 的 とす る 遺 伝 子 は,花 成 経 路 統 合 遺 伝 子 と よ ば れ て い る1∼3).な ぜ な ら ば,花 成 を制 御 す る情 報 が た ど る 経 路(シ ロ イ ヌ ナ ズ ナ で は,花 成 時 期 を 制 御 す る遺 伝 子 の は た ら き方 に も とつ い て4つ の 経 路 の 存 在 が 提 唱 され て い る.く わ し く は の ち の 図5を 参 照 して い た だ き た い)が,こ れ らの 遺伝 子 の 転 写 を 制 御 す る こ と に よ り統 合 され るか らで あ る.春 化 と光 周 期 に よ っ て転 写 が 制 御 さ れ る花 成 経 路 統 合 遺 伝 子 の ひ とつ が,ホ ス フ ァチ ジ ル エ タ ノー ル ア ミ ン 結 合 蛋 白 質(phosphatidylethnolamine-bindingprotein; PEBP)フ ァ ミ リー の 蛋 白 質 を コ ー ドす るFLOWERING ＬOCUST(FT)遺 伝 子 で あ る4,5).花 成 時期 を調 節 す る う え でFT遺 伝 子 の 転 写 制 御 は 重 要 な ス テ ッ プで あ る こ と か ら,こ れ が い つ ど こで 行 な わ れ るの か,注 意 深 く検 討 さ れ て きた.ま た,FT蛋 白 質 は花 成 を促 進 す る 因 子 で あ る こ と か ら,こ れ が ど こ で どの よ う に は た ら くの か に 関心 が 集 ま っ た.そ の 結 果,こ のF7遺 伝 子 の 産 物 そ の もの が 長 年 探 索 さ れ て き た花 成 ホ ル モ ン(フ ロ リ ゲ ン)の 正 体 で は な い か と考 え ら れ る よ う に な っ た. 本 稿 で は,第1節 で,冬 の あ い だ 進 行 す る春 化 過 程 に お け る エ ピ ジ ェ ネ テ ィ ック な遺 伝 子 発 現 制 御 に よ り花 成 を 行 な う能 力(competence)が 獲 得 さ れ,時 間 を こ え て こ れ が 維 持 さ れ る 機 構 に つ い て,最 新 の 知 見 を 紹 介 す る.第 Ⅱ節,第 Ⅲ節 で は,春 を迎 え て か らの過 程 に 話 題 を移 す.第 Ⅱ節 は,光 周 期 の 受 容 が 花 成 経 路 統 合 遺 伝 子 で あ るFτ 遺 伝 子 の 転 写 を 誘 導 す る 場 所 に つ い て 述 べ る.そ し て,第 Ⅲ節 で,FT遺 伝 子 の 産 物 が 移 動 性 の シ グ ナ ル物 質,花 成 ホ ル モ ンの 有 力 な 候 補 で あ る と提 唱 す る に い た っ た,筆 者 らの研 究 を含 め た 近 年 の 成 果 に つ い て 紹 介 す る.

Ⅰ.春化とエピジェネティックな長期記憶:花 成制御

の時間的側面

春 化 は長 期 間 の低 温 を経 験 す る こ とで 花 成 が 早 ま る 現 象 で あ る.春 化 の 効 果 は低 温 を 経 験 した 期 間 に 応 じ て 徐 々 に増 大 し,飽 和 状 態 に 達 す る まで よ り長 い 期 間(数 週 間)を 要 す る.こ れ は,秋 口 に つ づ い た 数 日間 の 寒 い 口を冬 の 到 来 と取 り違 え な い た め に 意 味 が あ る.ひ とた び 十分 に 長 い低 温期 間 を経 験 した 植 物 は 高 温 に戻 され て も低 温 を受 け た記 憶 を維 持 し,“ 脱 春 化 ”は起 こ ら ない. で は,ど の よ う に して 植 物 は春 が お とず れ た あ と も,冬 の 到 来 を感 じ指 折 り春 を待 っ た記 憶 を維 持 して い るの だ ろ うか 。 多 細 胞 生 物 の 発 生 の過 程 で は細 胞 の 増 殖 と分 化 が く り 返 さ れ る.分 化 誘 導 の刺 激 を受 け た 細 胞 は,獲 得 した 性 質 を安 定 に 維 持 しな が ら増 殖 す る.細 胞 記 憶 とよ ば れ る この 過 程 に は,ゲ ノ ム塩 基 配 列 の 変 化 を 伴 わ な い エ ピ ジ ェ ネ テ ィ ッ ク な遺 伝 子 発 現 制 御 が 重 要 な役 割 を は た して い る.細 胞 分 裂 を こ え て 安 定 に維 持 さ れ る 記 憶 の 媒体 と して,DNAの メ チ ル化 に よ る 修 飾,あ る い は,ヒ ス ト ンN末 端(ヒ ス ト ンテ ー ル)の 特 定 の 残 基 に 対 す る メ チ ル 化 や ア セ チ ル 化 に よ る 修 飾 が 知 られ て い る.春 化 は 古 くか らエ ピ ジ ェ ネ テ ィ ッ クな 現 象 の 典 型 的 な 例 と して 知 られ て い た が,春 化 の記 憶 媒 体 と して ヒ ス ト ン修 飾 とそ れ に 伴 う ク ロ マ チ ン構 造 の 変 化 が 利 用 さ れ て い る こ と が,最 近 の研 究 に よ っ て 明 らか に な りつ つ あ る. Database Center for Life Science Online Service

432 蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.51No.5(2006) シ ロ イヌ ナ ズ ナ に は越 冬 一 年 生 系 統 の ほか に,春 化 要 求 性 を もた な い 夏 生 一 年 生 系 統 が あ り,実 験 室 で 野 生 型 と して用 い られ る もの は こ ち らに あ た る.こ れ ら2つ の 系 統 の 違 い は,花 成 抑 制 遺 伝 子FLOWERING LOCUS C (FLC)に よ って 説 明 さ れ る.FLC遺 伝 子 はMADSボ ッ クス フ ァ ミ リー に属 す る転 写 因 子 を コー ドし てお り,越 冬 一 年 生 系 統 で は 高 レベ ル に 発 現 し て い る6,7).高 発 現 したFLC遺 伝 子 は花 成 経 路 統 合 遺 伝 子 の 転 写 を抑 制 し, 光 周 期 か ら の情 報 の 人 力 を ブ ロ ッ ク し て い る(図2a). 越 冬 一 年 生 系 統 で は,経 験 し た 低 温 期 間 の 長 さ とFLC mRNAレ ベ ル の 低 下 の 度 合 い,ま た,花 成 に 要 す る 時 間 の 短 縮 との あ い だ に 強 い 相 関 が み られ る.つ ま り, FLC遺 伝 子 の 発 現 が 春 化 要 求 性 を 規 定 して お り,春 化 と い う現 象 の 本 質 は 低 温 の 経 験 をへ てFLC遺 伝 子 の 転 写 が 抑 制 さ れ る こ とで あ る(図2b).そ の 結 果,花 成 経 路 統 合 遺 伝 子 が 適 切 な 日長 に 応 じて 誘 導 で き る よ うに な る(図2c).最 近 の研 究 か ら,こ のFLC遺 伝 子 の 転 写 制 御 の 過 程 に ヒス トン修 飾 が 関 与 して い る こ とが 明 らか に な っ て き た(図3). 以 下,季 節 の 移 り変 わ りに と も な っ てFLC遺 伝 子 座 に起 こ る変 化 を 順 に み て い く こ と に し よ う. 1.秋 か ら冬へ:FLC遺 伝子の転写活性化の機構 ま ず,な ぜ 越 冬 一 年 生 系 統 で はFLC遺 伝 子 が 高 レベ ル で 発 現 す るの だ ろ うか?越 冬 一 年 生 系 統 のFLC遺 伝 子 座 で は,転 写 の活 性 化 と 関連 す る こ とが 知 られ て い る ヒ ス ト ンH3の4番 目 の リ ジ ン残 基(H3K4)の ト リ メ チ ル化 レベ ル が 上 昇 し て お り,こ れ がFLC遺 伝 子 が 高 レベ ル で 発 現 す る原 因 と考 え ら れ る8).酵 母 に お け る 最 近 の 研 究 か ら,H3K4の メ チ ル 化 を 担 うH3K4メ チ ル ト ラ ン ス フ ェ ラ ー ゼSET1は,Paf1(RNA polymeraseⅡ associated factor1)複 合 体 に よ っ て 転 写 開 始 点 近 傍 に よ び 込 ま れ る こ と が 明 ら か に さ れ て い る9,10).Paf1複 合 体 は,Paf1,Ctr9,Leo1,Rtf1,Cdc73か ら な る 複 合 体 で あ る.越 冬 一 年 生 系 統 が 示 す 春 化 要 求 性 の 抑 圧 変 異 体 の ス ク リ ー ニ ン グ が 行 な わ れ,興 味 深 い こ と に,FLC遺 伝 子 の 発 現 レ ベ ル が 低 下 し た 変 異 体 と し てPaf1複 合 体 の 構 成 因 子 の う ち4つ の 因 子 の 欠 損 変 異 体 が 同 定 さ れ た8,11,12)(図3の ①).そ れ ぞ れ の 遺 伝 子 名 は,ELF78) (Paf1に 相 当 す る 因 子 を コ ー ド),ELF88)/VIP612)(Ctr9 に 相 当 す る 因 子 を コ ー ド),VIP411)(Leolに 相 当 す る 因 子 を コ ー ド),WP512)(Rtflに 相 当 す る 因 子 を コ ー ド), で あ る(ELF;EARLY FLOWERING,VIP;VERNALZZA TION INDEPENDENCE).こ れ は,遺 伝 学 的 な ア プ ロ ー チ の 有 効 性 を 再 認 識 さ せ る も の で あ っ た.こ れ ら4つ の 遺 伝 子 の 変 異 体 の う ちelf7変 異 体 とelf8変 異 体 で は, FLC遺 伝 子 開 始 コ ド ン 近 傍 に あ るH3K4の メ チ ル 化 レ ベ ル が 低 下 し て い る こ と が 報 告 さ れ て い る8). Paf1複 合 体 に よ び 込 ま れ るH3K4メ チ ル ト ラ ン ス フ ェ ラ ー ゼSET1と 相 同 な 蛋 白 質 を コ ー ドす る 遺 伝 子 は, 変 異 体 が 短 日条 件 下 で 顕 著 な 早 咲 き 表 現 型 を 示 す こ と が す で に 報 告 さ れ て い たEARLY FLOWERING IN SHORT DAYS(EFS)遺 伝 子 で あ る こ と が わ か っ た13」の(図3の ①)。efs変 異 を も つ 越 冬 一 年 生 系 統 で は,遅 咲 き 表 現 型 が 抑 圧 さ れ る こ と,F乙C遺 伝 子 の 発 現 レ ベ ル が 低 下 す る こ と,そ し て,FLC遺 伝 子 座 のH3K4の メ チ ル 化 レ ベ ル が 低 下 し て い る こ と が 示 さ れ て い る14). H3K4の メ チ ル 化 が 転 写 活 性 領 域 の 指 標 で あ る こ と の 図2春 化 と 光 周 期 に よ る 花 成 制 御 と経 路 統 合 遺 伝 子 (a)秋 に発 芽 した越 冬 一年 生 系 統 は,花 成 抑制 因子FLC遺 伝 子 が 高 発 現 して い る た め,日 長 は 適切 で ある に も かか わ ら ず 花成 で きな い, (b)冬 に な る と,低 温 の 効 果 に よ っ て FLC遺 伝 子 の 発 現 が 徐 々 に 低 下 す る が,短 日条 件 で ある た め 花成 は促 進 され な い, (c)春 に な る と,春 化 に よ り抑 制 され た FLC遺 伝 子 の 発 現 は そ の ま ま 維 持 さ れ,長 日 条 件 はCO遺 伝 子 の 機 能 を 介 して 花 成 を促 進 す る, (a) (b) (c) Database Center for Life Science Online Service

説 明 は,酵 母 を 用 い た 解 析 に よ り も た ら さ れ た.ATP 依 存 性 ク ロ マ チ ン リ モ デ リ ン グ 複 合 体 の 構 成 因 子ISWlp が メ チ ル 化H3K4を 認 識 す る こ と が,こ の 修 飾 を 受 け て い る 領 域 が 活 発 に 転 写 さ れ る こ と に 必 要 で あ る と 報 告 さ れ て い る15).シ ロ イ ヌ ナ ズ ナ でISWIpに あ た る 因 子 を コ ー ド す る 遺 伝 子 がPHOTOPERIOD‐INDEPENDENT

EARLY FLOWEING 1(PIE)で あ る.pie変 異 も ま た,越 冬 一 年 生 系 統 の 春 化 要 求 性 を 抑 圧 しFLC遺 伝 子 の 発 現 レ ベ ル を 低 下 さ せ る 変 異 と し て 報 告 さ れ た も の で あ っ た16)(図3の ②).さ ら に,ISW1pと は 別 の タ イ プ のATP 依 存 性 ク ロ マ チ ン リ モ デ リ ン グ 複 合 体SWRIの 構 成 因 子 の ひ と つ,ACTIN-RELATED PROTEIN6(ARP6)の 欠 損 変 異 体 がFLC遺 伝 子 の 発 現 制 御 に 関 与 す る 変 異 体 と し て,最 近 に な っ て2つ の グ ル ー プ か ら あ い つ い で 報 告 さ れ て い る17,18). さ て,夏 生 一 年 生 系 統 で はFLC遺 伝 子 の 転 写 を 活 性 化 す る 機 構 が は た ら か ず 春 化 要 求 性 を 示 さ な い が,こ の 系 統 か ら 単 離 さ れ た 遅 咲 き変 異 体 の な か に は,一 見 し た と こ ろ 春 化 要 求 性 を 獲 得 さ せ る よ う に み え る も の が 知 ら れ て い た.そ う し た 変 異 体 で は,春 化 に 対 す る 応 答 は 越 冬 一 年 生 系 統 の そ れ と 変 わ り は な く,光 周 期 に 対 す る 応 答 も 正 常 で あ っ た の で,環 境 応 答 と は 関 係 な く 自 律 的 に 花 成 を 促 進 す る 経 路(自 律 的 経 路)に 欠 損 が あ る と 解 釈 さ れ て き た.自 律 的 経 路 の 変 異 体 が 春 化 要 求 性 を 示 す 原 因 は,も と も と 夏 生 一 年 生 系 統 で は ほ と ん ど 発 現 が み ら れ な いF乙C遺 伝 子 が 高 い レ ベ ル で 発 現 す る た め で あ る こ と が わ か っ た.こ れ ら の 変 異 体 の な か に はFLC遺 伝 子 座 の ヒ ス ト ン 修 飾 パ タ ー ンが 変 化 し て い る も の が あ り, 原 因 遺 伝 子 は い ず れ も ヒ ス ト ン 修 飾 に か か わ る 複 合 体 中 に 見 い だ さ れ る 因 子 を コ ー ド し て い た. そ の う ち の ひ と つFLOWERING LOCU3D(FLD)遺 伝 子 は,ヒ トの 転 写 の 抑 制 共 役 因 子(コ リ プ レ ッサ ー)複 合 体 中 に 見 い だ さ れ る 因 子(KIAA0601)に 対 応 す る 蛋 白 質 を コ ー ド し て い る19).最 近,こ の 因 子 に は ア ミ ン 酸 化 活 性 に よ っ て リ ジ ン 残 基 の 脱 メ チ ル 化 を 行 な う活 性 が あ る

こ と が 報 告 さ れ,LYSINE SPECIFIC DEMETHYLASEl

(LSD1)と 再 命 名 さ れ て い る20).し た が っ て,FLD蛋 白 質 も 同 様 の 活 性 を も つ こ と が 予 想 さ れ る.も う ひ と つ の 遺 伝 子 で あ るFVE遺 伝 子 は,酵 母 のMSI,ヒ トのreti noblastoma-associated protein(RbAp46/48)に 相 同 な 蛋 白 質 を コ ー ド し て い る21,22).MSIお よ びRbAp46/48は ク ロ マ チ ン 修 飾 活 性 を も つ さ ま ざ ま な 複 合 体 に 含 ま れ 図3ピ ス トン 修 飾 に よ るFLC遺 伝 子 の 発 現 制 御 モ デ ル ① 越 冬一 年 生系 統 で は,Paf1複 合 体 が ヒ ス トン メ チ ル トラ ン ス フ ェ ラー ゼEFSを よ び 込 み,FLC遺 伝 子 座 のH3K4メ チ ル 化 を 行 な うと考 え られ る, ② 春 化前 のFLC遺 伝 子 座 で は,H3K4メ チ ル 化 の ほ か に ピ ス ト ンH3の ア セ チル 化 も 検 出 さ れ て い る.メ チル 化H3K4はISWlp に高 い相 同 性 を も つPIE蛋 白質 に よ って 認 識 さ れ 、FLC遺 伝 子 座 の 積 極的 な 転 写 に つな が る と考 え られ る. ③ 長 期 の 低 温 はVIN3遺 伝 子の 発 現 を 誘 導 し、そ の 結 果,ピ ス ト ンの 脱 ア セ チル 化 が起 こる.最 近 に な っ て ヒ ス トン デ メ チ ラ ー ゼ で あ る 可能 性 が 指摘 され たFLD蛋 白質 が,H3K4の 脱 メ チ ル 化 に 関与 す るの か,変 異 体 の 表 現 型 か ら予 想 さ れ た よ う に 脱 ア セ チ ル 化 に 関 与す る の か は不 明 で あ る. ④VIN3蛋 白質 の あ と に機 能 す る の はVRN2蛋 白 質 お よ びVRN1 蛋 白 質 で,転 写 抑 制 状 態 に あ る 染 色 体 に 特 徴 的 なH3K9お よ び H3K27の メ チル 化 修 飾 に 関与 す る と考 え られ る, ⑤ 春 化 に よ って 確 立 さ れ たFLC遺 伝 子 座 の ピ ス トン 修 飾 は, TFL2/LHP1蛋 白質 に よ って維 持 さ れ る と予 想 さ れ て い る. 灰 色 で 示 した 因 子 と[]で く く った過 程 は,そ の 因 子 の関 与 あ る いは そ の過 程 そ の も の が 実 験 的 に は 示 さ れ て い な い も の で あ る. ほ か の 因子 につ い て も生 化学 的 な 機 能 は示 さ れ て い な い. Me:メ チ ル化,Ac:ア セチ ル 化. ② ③ ④ ⑤ Database Center for Life Science Online Service

434 蛋 白 質 核 酸 酵 素VOIi51NO.5(2006) る.こ れ ら の 活 性 の 欠 損 に よ り,FLC遺 伝 子 座 の ヒ ス ト ン が 活 発 な 転 写 が 行 な わ れ る ク ロ マ チ ン領 域 に 特 徴 的 な 修 飾 状 態 に な る こ と が,FLC遺 伝 子 が 発 現 す る 原 因 で あ る と 考 え ら れ る.実 際 に,御 変 異 体 で はFLC遺 伝 子 座 の ヒ ス ト ンH4の ア セ チ ル 化 レ ベ ル の 上 昇 と19), H3K4の ト リ メ チ ル 化 レ ベ ル の 上 昇(図3の ③)が8),fve 変 異 体 で は ヒ ス ト ン ア セ チ ル 化 レ ベ ル の 上 昇 が21),観 察 さ れ て い る. 2,冬 の経過とともに:FLO遺 伝子の発現抑制状態の確立 と維持 前 節 で み た よ うに,越 冬 一 年 生 系 統 や 自律 的経 路 に欠 損 が あ る 夏 生.一年 生 系 統 で は,ヒ ス トン修 飾 に よ りFLC 遺 伝 子 が 転 写 活 性 化 状 態 に あ り,そ の 結 果,蓄 積 し た FLC蛋 白 質 が 花 成 を抑 制 す る,こ れ に対 し て,春 化 過 程 で はF乙C遺 伝 子 座 に お い て,転 写 活 性 化 状 態 の ク ロ マ チ ンに特 徴 的 な ヒ ス トンH3の ア セ チ ル 化 レベ ル お よ び ピ ス トンH3K4の メ チ ル 化 レベ ルが 低 下 す る.そ れ に ひ き続 い て,転 写 抑 制 状 態 に あ る 染 色 体 に 特 徴 的 な ヒス ト ンH3の9番 目の リジ ン残 基(H3K9)の メチ ル化 レベ ル, お よ び,ヒ ス トンH3の27番 目 の リ ジ ン残 基(H3K27) の メチ ル化 レベ ルが 上 昇 す る23,24). こ の過 程 に 関 与 す る 因 子 は,長 期 間 の低 温 処 理 に対 す る応 答 性 が 失 わ れ た 変 異 体 の ス ク リー ニ ング か ら同 定 さ れ た.そ れ らの 因 子 の解 析 を とお して,春 化 過 程 と ピス トン修 飾 パ ター ン変 化 の 因 果 関係 が 明 らか に な りつ つ あ る.長 期 問 の 低 温 に よ りFLC遺 伝 子 の 発 現 が 抑 制 さ れ て い く過 程 に か か わ る の はVERNALZZATION INSENSI 71VE3(WN3)遺 伝 子 で あ る24)(図3の ③).WN3遺 伝 子 は 蛋 白質 問 相 互 作 用 に 関 与 す る と 考 え られ るPLANT HOMEODOMAIN(PHD)フ ィ ン ガ ー モ チ ー フ を 含 む 蛋 白 質 を コ ー ドして お り,こ の モ チ ー フ は しば しば ク ロ マ チ ン リモ デ リ ン グ 複 合 体 の 構 成 因 子 に 見 い だ さ れ る. vin3変 異 体 に お い て は 春 化 に伴 うFLC遺 伝 子 座 の ヒ ス トン修 飾 の 変 化 が い っ さ い 認 め られ ず,FLC遺 伝 子 の 発 現 レベ ル も低 下 し な い.ま た,ク ロマ チ ン免 疫 沈 降 法 に よ りVIN3蛋 白 質 がFLC遺 伝 子 座 に 集 積 して い る こ とが 示 さ れ た.興 味 深 い こ とに,VIN3遺 伝 子 の 発 現 は 低 温 に さ ら さ れ る 期 間が 長 く な る に つ れ て徐 々 に上 昇 す るが,低 温処 理 後 に 通 常 の生 育 温 度 に 戻 す とほ と ん ど検 出 さ れ な くな る.短 期 間 の低 温 処 理 はVIN3遺 伝 子 の 発 現 誘 導 に 効 果 的 で は な い こ とか ら,VIN3遺 伝 子 の 発 現 制 御 機 構 を 明 ら か に す る こ と が 春 化 の 特 徴 で あ る 長 期 間 の 低 温 を 認 識 す る メ カ ニ ズ ム の 理 解 に つ な が る と期 待 さ れ る. 一 方_{,長 期 問 の 低 温 を 経 験 す る 過 程 で 確 立 さ れ た ヒ ス} ト ン 修 飾 パ タ ー ン とFLC遺 伝 子 の 発 現 抑 制 状 態 を DNA複 製 と 細 胞 分 裂 を こ え て 維 持 す る メ カ ニ ズ ム を 明 ら か に す る 手 が か り と な り そ う な の が,VERNALIZA 刀ON1(VRN1)遺 伝 子 お よ びVRN2遺 伝 子 で あ る(図3 の ④).vrn1変 異 体 お よ びvrn2変 異 体 で は,低 温 の 経 験 に 伴 うFLC遺 伝 子 座 の ヒ ス ト ンH3の 脱 ア セ チ ル 化 は み ら れ る も の の,そ の の ち,こ の 脱 ア セ チ ル 化 状 態 は 維 持 さ れ ず,H3K9あ る い はH3K27の メ チ ル 化 が 起 こ ら な い23・24).こ の た め,い っ た ん 低 下 し たFLC遺 伝 子 の 発 現 レ ベ ル が 温 度 の 上 昇 と と も に 再 び 低 温 経 験 前 の 状 態 に 戻 っ て し ま う.こ れ ら の 知 見 か ら,VRN1遺 伝 子 お よ びVRN2遺 伝 子 は ヒ ス ト ン の メ チ ル 化 を 介 し て,WN3 遺 伝 子 の は た ら き に よ っ て 確 立 さ れ たFLC遺 伝 子 の 発 現 抑 制 状 態 を 維 持 す る こ と に 関 与 し て い る と 考 え ら れ る. VRNI蛋 白 質 は 配 列 非 特 異 的 なDNA結 合 能 を も つ 蛋 白 質 で あ り,FLC遺 伝 子 座 に 結 合 し て い る こ と が ク ロ マ チ ン免 疫 沈 降 法 に よ り 示 さ れ て い る25).し か し,ヒ ス ト ンの メ チ ル 化 修 飾 に ど の よ う に か か わ る の か は 不 明 で あ る.一 方,VRN2遺 伝 子 が コ ー ドす る 蛋 白 質 は,シ ョ

ウ ジ ョ ウ バ エ のPRC2(Polycomb repressive complex2) に 含 ま れ るSu(Z)12(Suppressor of Zeste12)に 対 応 す る26).シ ョ ウ ジ ョ ウ バ エ で は,PRC2が も つH3K9お よ び H3K27に 特 異 的 な メ チ ル 化 触 媒 活 性 はE(Z)(Enhancer ofZeste)が 担 う と さ れ て い る.E(Z)に 対 応 す る シ ロ イ ヌ ナ ズ ナ のCURLYLEAF蛋 白 質,SWINGER蛋 白 質, MEDEA蛋 白 質 の う ち,ど れ がVRN2蛋 白 質 と と も に 機 能 し て 春 化 に 関 与 す る の か は 不 明 で あ る.動 物 の 系 で は,PRC2が 関 与 し た ヒ ス ト ン 修 飾 はPolycomb(Pc)に よ っ て 認 識 さ れ,さ ら に ク ロ マ チ ン リ モ デ リ ン グ を 阻 害 す るPRCIが よ び 込 ま れ る こ と で,遺 伝 子 発 現 抑 制 状 態 の 安 定 な 維 持 に つ な が る と 考 え られ て い る.シ ロ イ ヌ ナ ズ ナ に はPcお よ びPRC1の 相 同 因 子 は 存 在 し な い た め,Pcと 同 様 に ク ロ モ ド メ イ ン を も つTERMINAL FLOWER2/LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN1

(TFL2/LHP1)蛋 白 質 が27・28),こ の 過 程 に 関 与 す る モ デ ル が 提 唱 さ れ て い る(図3の ⑤).ヒ ス ト ン の 修 飾 パ タ ー ン が 細 胞 分 裂 を こ え て 維 持 さ れ る 分 子 基 盤 を 明 ら か に す Database Center for Life Science Online Service

る た め に は,こ れ らの 因 子 の 機 能 とDNA複 製 過 程 と を 関連 づ け た 今後 の 解 析 が 必 要 で あ ろ う, FLC遺 伝 子 の 転 写 を制 御 す る 因 子 と し て,ヒ ス ト ン の修 飾 や ク ロ マ チ ン構 造 の 変 換 に 関 与 す る 因 子 が つ ぎつ ぎ に 同 定 さ れ て い る こ と は非 常 に 興 味 深 い,春 化 に よ る FLC遺 伝 子 の 制 御 と い う系 は,個 体 レベ ル の 現 象 に お け る ピ ス ト ン修 飾 ・ク ロ マ チ ン構 造 変 換 の 意義 を研 究 す る う え で また と な い 素 材 を提 供 す る もの で あ り,低 温 を どの よ うに 感 受 し ピ ス トン修 飾 パ ター ンの 変 化 に結 び つ け て い る か とい う点 を含 め て,今 後,多 くの 研 究 者 の 関 心 を集 め つ づ け る こ と に な ろ う. ヒ ス トン修 飾 の 変 化 や ク ロマ チ ン構 造 の 変 換 と い っ た エ ピ ジ ェ ネ テ ィ ック な 機 構 が 用 い られ る こ とで,冬 を経 験 した 記 憶 を 維 持 し,そ の効 果 を発 揮 す る春 まで の あ い だ 時 間 的 な 隔 た りを 設 け る こ とが 可 能 と な って い る.こ の 時 間 的 な 隔 た りは,そ の あ い だ の 成 長 に よ って,春 化 に伴 う変 化 が 生 じる場 所 と そ の 効 果 が現 わ れ る場 所 との あ い だ の 空 間 的 な 隔 た りを も もた らす こ とに なる.春 化 に 関 す る 従 来 の 理 解 か ら,う え に み たFLC遺 伝 子 座 の エ ピ ジ ェ ネ テ ィ ッ ク な変 化 は 茎 頂 分 裂 組 織 の細 胞 で 起 こ る も の と考 え られ る.春 化 後 の 茎 頂 分 裂組 織 か ら発 生 し て きた 葉 で はFLC遺 伝 子 は 発 現 せ ず,経 路 統 合 遺 伝 子 の 転 写 を抑 制 す るFLC蛋 白質 は もは や 存 在 し な い.そ う し た葉 で は光 周 期 に よ る情 報 の 入 力 は ブ ロ ック され な い た め,次 節 で み る よ うに,光 周 期 に よ っ て経 路 統 合 遺 伝 子 の転 写 活 性 化 が 起 こ る こ とに な る(図4).

Ⅱ.光周期を受容する葉:花 成制御の空間的側面

古 くか らの 生 理 学 的 研 究 に よ っ て 日長 の 感覚 が 行 な わ れ る こ とが 示 され た場 は葉 で あ る.葉 で 起 こ る 日長 の感 受 と茎 頂 に お け る花 芽 形 成 を 結 ぶ もの と して,移 動 性 の 長 距 離 シ グ ナ ルで あ る 花 成 ホ ル モ ン(フ ロ リゲ ン)が 提 唱 さ れ た.春 化 に よ っ て 光 周 期 に 応 答 す る 能 力(compe tence)を 獲 得 した 葉 が,こ の 花 成 ホ ル モ ンの 産 生 に か か わ る と考 え られ る.花 成 ホ ル モ ンの実 体 は,長 年 に わ た り植 物 科 学 に お け る 大 き な謎 と さ れ て きた. 近 年,光 周 期 に よ っ て 花 成 が 調 節 され る過 程 で は た ら く遺 伝 子 が ど こで 転 写 され る の か が 明 らか に な った.そ の 結 果,光 周 期 の 受 容 か ら花 成 ホ ル モ ンの 産 生,そ して, 花 芽 形 成 の どの ス テ ップ に こ れ らの 遺 伝 子 が か か わ るの か が 理 解 で き る よ う に な った.光 周 期 に よ る花 成 の 制 御 過 程 で 鍵 とな る の は,CONSTAN5(CO)遺 伝 子(図2)と, 経 路 統 合 遺 伝 子 の ひ とつF7遺 伝 子 で あ る.CO遺 伝 子 とFT遺 伝 子 の 転 写 活 性 化 が 日長 に応 じて 葉 の維 管 束 節 部 細 胞 にお い て 起 こ る こ とが 示 さ れ た29).筆 者 らは,FT 遺 伝 子 の 相 同 遺 伝 子TWIN SISTER OF FT(TSF)遺 伝 子 も また,春 化 と光 周 期 に 転 写 制 御 の 標 的 とな り花 成 の 促 進 に は た ら く経 路 統 合 遺 伝 子 で あ る こ と を 示 し た30) (詳細 は,図5).そ して,TSF遺 伝 子 の 転 写 も ま た 維 管 束 で 起 こ る こ と を明 らか に した.こ う し た結 果 か ら,こ れ らの 遺 伝 子 は 光 周 期 の受 容 か ら花 成 ホ ルモ ンの 産 生 の 過 程 に か か わ る と考 え られ る よ う に な っ た. 1.光 周期 による花成制御の鍵 となるCO遺 伝子 光 周 期 に よ る花 成 の 制 御 に お い て,日 長 は光 受 容 体 と 概 日時 計 に よ っ て 計 測 され て い る(詳 細 に つ い て は,比 較 的 新 し い 邦 文 総 説 が あ る の で そ ち ら を 参 照 さ れ た い31∼33)).光受 容 体 と概 日時 計 関 連 因 子 の 発 現 は 植 物 体 全 体 で 検 出 され る た め,現 在 の と こ ろ,こ れ らの 装 置 は 個 々 の 細 胞 が もつ もの と考 え られ て い る.発 現 に顕 著 な 組 織 特 異 性 が み られ る の は,概 日時 計 に よ っ て 転 写 が 制 御 さ れ るCO遺 伝 子 か らで あ る.CO遺 伝 子 は 日長 認 識 の 要 と な る 因子 で あ る.概 日時 計 と光 条 件 に よる 転 写 レ ベ ル と翻 訳 後(蛋 白 質 分 解)レ ベ ル の 制 御 の 結 果,CO蛋 白質 は 短 日条 件 下 で は ほ とん ど蓄 積 が み られ ず,長 日条 件 の と きに の み 明 期 の 終 わ り(夕 方)に 蓄 積 し,FT遺 伝 子 な どの 転 写 制 御 を介 して 花 成 を促 進 す る34∼38).CO遺 伝 子 の 発 現 は 維 管 束 節 部 組 織 お よ び 茎 頂 で 観 察 さ れ る29,39)(図6).co変 異 体 植 物 に お い て組 織 特 異 的 な プ ロ モ ー タ ー の 制 御 下 でCO遺 伝 子 を 発 現 させ,特 定 の 組 織 で の みCO遺 伝 子 の 機 能 を 回 復 さ せ る 実 験 か ら,CO 蛋 白質 の 機 能 が 必 要 と さ れ る 部位 は茎 頂 で は な く維 管 束 節 部 で あ る こ とが 示 唆 さ れ た39).こ う した 知 見 か ら,CO 蛋 白質 は 維 管 束 節 部 にお い て 長 年 探 索 さ れ て き た 長距 離 花 成 シ グ ナ ル(フ ロ リゲ ン)の 産 生 に 関 与 す るの で は な い か と考 え られ る よ う に な っ た. 2,維 管束飾部で花成を制御する情報を統合するFT遺 伝 子 と73F遺 伝子 CO遺 伝 子 の 下 流 で 機 能 す る 主 要 な 経 路 統 合 遺 伝 子 は FT遺 伝 子 で あ る.ft変 異 体 は 長 日 条 件 で 遅 咲 き 表 現 型 を 示 し,FT遺 伝 子 の 過 剰 発 現 植 物 は 光 周 期 あ る い は CO蛋 白 質 機 能 の 有 無 に よ ら な い 極 端 な早 咲 き に な る こ Database Center for Life Science Online Service

436 蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.51No.5(2006) とか ら,FT遺 伝 子が 光 周 期 に よ る 花 成 の 制 御 にお い て 主 要 な役 割 を は たす と考 え られ て きた4,5,40). シ ロ イ ヌ ナ ズ ナ の ゲ ノ ム に は,FT蛋 白質 と ア ミ ノ酸 配 列 レベ ル で82%と い う非 常 に 高 い 相 同 性 を もつ 蛋 白 質 を コ ー ドす る 遺 伝 子TSFが 存 在 して い る.FT遺 伝 子 の 場 合 と同 様 に,TSF遺 伝 子 の 過 剰 発 現 も極 端 な 早 咲 き表 現 型 を ひ き起 こす こ と か ら,7SF遺 伝 子 も 花 成 制 御 に 関 与 す る 可 能 性 が 高 い と考 え られ て き た.実 際 に, TSF遺 伝 子 の 機 能 喪 失 変 異 はft変 異 と組 み 合 わ せ る と そ の 遅 咲 き表 現 型 を さ らに 強 め る こ とが 判 明 し,こ の 予 想 が 裏 づ け られ た30,41).CO蛋 白 質 の 活 性 を 一 過 的 に 誘 導 す る系 を用 い る こ と で,FT遺 伝 子 がCO蛋 白 質 の 直 接 の 標 的 で あ る こ とが 示 さ れ て い る5,42).筆 者 ら は,同 じ系 を 用 い て,TSF遺 伝 子 も またCO蛋 白質 の 制 御 標 的 で あ る こ と を示 した.す で に 述 べ た よ う に,FT遺 伝 子 の転 写 は 花 成 抑 制 因 子FLC蛋 白 質 を介 し て 春 化 の 制 御 下 に あ る が,TSF遺 伝 子 も またFLC蛋 白 質 の 制 御 標 的 で あ る こ と も示 した.筆 者 ら は,こ う した 結 果 か ら,TSF 遺 伝 子 は春 化 と光 周 期 の情 報 を統 合 す る新 た な経 路 統 合 遺 伝 子 で あ る と位 置 づ け た30)(図5に 示 す よ う に,FT遺 伝 子 とTSF遺 伝 子 は,実 際 に は 春 化 と光 周 期 の ほ か の 情 報 か ら も転 写 制 御 を受 け る 重 要 な 遺 伝 子 で あ る). FT遺 伝 子 は 発 現 量 が き わ め て 低 く,こ れ ま でin situ ハ イ ブ リ ダ イ ゼ ー シ ョ ン法 でmRNAの 分 布 パ ター ンを 記 述 す る に は 至 っ て い なか っ た.FT遺 伝 子 の プ ロモ ー ター 活 性 を発 現 レポ ー タ ー を 用 い て 解 析 し た 報 告 に よ り,よ うや く,FT遺 伝 子 が 葉 の 維 管 束 節 部 の 細 胞 で 発 現 し,葉 身 の先 端 側 で よ り強 く発 現 を 示 す こ とが 明 らか と な っ た29)(図6).TSF遺 伝 子 はFT遺 伝 子 よ り も さ ら に 発 現 レベ ル が 低 い た め検 出 が 困 難 で あ る と予 想 さ れ た が,筆 者 らは,同 様 に発 現 レポ ー タ ー(tsf変 異 体 を相 補 で き る ゲ ノ ム 断 片 中 にGUS蛋 白 質 のORFを 挿 入 し た もの)を 用 い る こ とで,TSF遺 伝 子 の 発 現 パ ター ン を解 析 した30).そ の 結 果,TSF遺 伝 子 も また 維 管 束篩 部 で発 図4花 成 制 御 に お け る 時 間 と 距 離 を 隔 て た 作 用 の 機 構 芽生 え の 茎頂 で 花 成 抑 制因 子FLC遺 伝 子 の転 写 の 活 性 化 が 起 こ る(水 色 か ら青 色へ の変 化).長 期 の低 温 を経 験 す る と(春 化 が あ る場 合), FLC遺 伝 子 座 は転 写 活 性 化 状 態(青 色)か ら転 写 抑制 状 態(黄 色)に 変 化 す る,FLC転 写 抑 制 状 態 にな った 茎 頂 の 葉 原 基 が発 生 して で きた 葉(☆ で 表 わ す)で は,FLC遺 伝 子 が発 現 せ ず,光 周 期経 路 か らの制 御 によ り維 管束 にお いて 経 路 統 合 遺 伝 子 で あ るFT遺 伝 子 が発 現 す る (ピンク 色),春 化 に よ る変 化(図2)は 茎 頂で 起 こる が,そ の 効 果 は茎 頂 か ら発生 す る 葉 で 時 間を へ て 現 わ れ る こ とに な る,FT遺 伝 子 の 産 物 はな ん らかの 形(mRNAま た は蛋 白質,あ る いは,そ の両 方)で 茎頂 に輸 送 さ れ る もの と考 え られ る.茎 頂 でFT蛋 白 質(ピ ン ク色 の楕 円) はFD蛋 白質(緑 色 の四 角 形)と 結 合 し,花 芽 分 裂組 織 遺 伝子 であ る 、AP1遺 伝 子 の 転 写 を 誘 導 す る(オ レン ジ色).FT遺 伝 子 に よ って,葉 で起 こる 日長 の 受 容 と 茎頂 で 起 こ る花 芽形 成 とい う空 間的 に隔 た っ た事 象 が 結 び つ け られ る,一 方,長 期 の 低温 を経 験 しな い と(春 化 が な い場 合),FLC遺 伝 子 の転 写 活 性化 状 態(青 色)は 維 持 され つ づ け る.FLC遺 伝 子転 写 活 性化 状 態 にあ る 茎 頂 の 葉 原 基 か ら発 生 して きた 葉 (★で 表 わ す)で はFLC遺 伝 子 が 発現 して お り,維 管束 にお け る 経路 統 合 遺 伝 子の 発 現 が起 こ らな い, Database Center for Life Science Online Service

現 す る こ とが 明 らか に な っ た(図6).た だ し,芽 生 え に お け る 発 現 は,F7遺 伝 子 と は 重 な り合 わ な い 領 域(葉 柄,胚 軸 の 維 管 束)で 検 出 さ れ た.さ ら に,弱 い な が ら も茎 頂 分 裂 組 織 周 辺 の 比 較 的 少 数 の 細 胞 で も発 現 が 認 め られ た. 経 路 統 合 遺 伝 子 で あ るF7遺 伝 子 お よ びTSF遺 伝 子 が 維 管 束 節 部 で発 現 す る こ とか ら,花 成 時 期 を 調 節 す る 情 報 が 統 合 さ れ る 場 所 の ひ とつ は維 管 束篩 部 で あ る と考 え る こ とが で きる 。 こ の こ と は,維 管 束 篩 部 で統 合 され た 情 報 が 花 芽 形 成 の 場 で あ る 茎 頂 へ どの よ うに伝 達 され る か を考 え る必 要 性 も生 ん だ.長 距 離 花 成 シ グナ ル の 産 生 に 関与 す る と考 え ら れ るCO蛋 白質 の 直 接 の 制 御 標 的 がFT遺 伝 子 お よ びTSF遺 伝 子 で あ る こ と も あ り,長 距 離 花 成 シ グナ ル(フ ロ リゲ ン)の 実 体 と し てFT遺 伝 子 お よ びTSF遺 伝 子 の 産 物 が 注 目 さ れ る よ う に な っ た の で あ る.

Ⅲ.光 周期の受容から花芽形成へ:み えてきたフロ

リゲンの実体

葉 の 維 管 束 で 発 現 したFT遺 伝 子 の 産 物 が 長 年 未 同 定 で あ っ た 長距 離 花 成 シ グナ ル(フ ロ リ ゲ ン)の 有 力 候 補 で あ る とい う見 方 が 確 立 さ れ る た め に は,FT蛋 白質 の 機 図5シ ロ イ ヌ ナ ズ ナ の 花 成 を 制 御 す る 経 路 と 新 た な 経 路 統 合 遺 伝 子 遺 伝 学 的 に 同定 さ れ た4つ の 主要 な 制 御 経 路(春 化 経 路,自 律 的 経 路,光 周 期 経 路,ジ ベ レ リン 経 路)と,近 年,新 た に 同 定 さ れ た 花 成制 御 要 因(光 質,抑 制 因 子)を,各 経 路 で 機 能 す る 代 表 的 な 遺 伝 子 と と も に示 す.FT遺 伝 子 と,筆 者 ら が 新 た に同 定 したTSF遺 伝 子 の ほ か, 花 成 制 御 経 路 統 合 遺 伝 子 と さ れ る も の に,MADSボ ッ ク ス転 写 因 子 を コー ド す るSOC1遺 伝 子42,48,49),植物 固 有 の 転 写 因 子 を コ ー ドす るLFY遺 伝 子50,51) が あ る.上 流 か らの情 報 は経 路 統 合 遺 伝 子 の転 写 制 御 によ り統 合 さ れ る.転 写 レ ベ ル の 制 御 を 矢 印(促 進)とT字 バ ー (抑制)で 示 した,点 線 の 矢 印 は遺 伝 子 産物 あ る い は そ の機 構 の 活性 調 節 を 表 わ す.線 の 太 さ は相 対 的 な活 性 の 強 さ を表 わす,SOC1:SUPRESSOR OF OVER EXPRESSION OF CO1,LFY:LEAFY [文献30よ り許可 を 得 て転 載,改 変] 図6花 成 制 御 遺 伝 子 の 発 現 パ タ ー ン 葉(左)と 栄 養 成 長 期 の 茎 頂(右)に お け る 各 遺 伝子 の発 現 パ タ ー ン を示 す,No:発 現 な し. Database Center for Life Science Online Service

438 蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.51No.5(2006) 能 が 植 物 体 の ど こ で 必 要 と され,ど の よ うな 分 子 機 構 で 花 成 を促 進 す る の か を明 らか に す る必 要 が あ っ た.こ れ に 大 き く貢 献 し た の が,FT遺 伝 子 に よ る花 成 促 進 に 必 要 な も うひ とつ の 花 成 時 期 遺 伝 子FDに つ い て の解 析 で あ る43,44).すで に述 べ た よ う に,FT蛋 白 質 はPEBPフ ァ ミリー に属 す るが,そ の 生 化 学 的 な機 能 は不 明 で あ っ た.し か し,そ の 機 能 の 解 明 の た め,筆 者 ら とWeigel らの グ ル ー プ が と っ た2つ の ア プ ロ ー チ,FT遺 伝 子 の 下 流 で 機 能 す る 因 子 を遺 伝 学 的 に 探 索 す る こ と と43), FT蛋 白質 と蛋 白 質 問 相 互 作 用 す る因 子 を探 索 す る こ と が44),有 機 的 に 結 びつ い た. 1,ＦT遺 伝子の機能に必要なFD遺 伝子 FD遺 伝 子 は 花 成 制 御 に 関 す る 遺 伝 子 座 と し て, Koornneefら に よ り,す で に1991年 に 報 告 さ れ て い た40).現 在,解 析 が 進 め られ て い る花 成 制 御 因 子 の う ち 主 要 な もの は,こ の と き の大 規模 な ス ク リー ニ ン グで 変 異 体 と して得 られ た もの で あ る.そ れ らの な か でFD遺 伝 子 の 解 析 が 遅 れ て い た 理 由 の ひ とつ と し て,fd変 異 体 が 示 す 遅 咲 き表 現 型 が 比 較 的軽 微 な た め研 究 者 の 目 に と ま りに くか っ た こ と が あ げ られ る.し か し,fd変 異 はFT遺 伝 子 の 過 剰 発 現 に よ る 極 端 な 早 咲 き表 現 型 に 対 して 強 い 抑 圧 効 果 を示 す こ とが わ か り,に わか に 注 目 さ れ る こ と に な っ た.抑 圧 効 果 はFT遺 伝 子 とTSF遺 伝 子 に特 異 的 で,ほ か の 経 路 統 合 遺 伝 子(図5)の 過 剰 発 現 体 に 対 して はみ られ なか っ た こ とか ら,FD遺 伝 子 は4 つ の 経 路 統 合 遺 伝 子 の う ちFτ 遺 伝 子 とTSF遺 伝 子 の 機 能 に の み 必 要 で あ る と考 え られ る.ク ロー ニ ング さ れ たFD遺 伝 子 はbZIP型 転 写 因 子 を コー ドし てお り,FD 蛋 白 質 は核 に局 在 す る こ とが 確 認 さ れ た. 酵 母 細 胞 内 と試 験 管 内 でFT蛋 白 質 とFD蛋 白 質 の あ い だ に 相 互作 用 が 検 出 さ れ る こ とか ら,bZIP型 転 写 因 子FD蛋 白質 がFT遺 伝 子 の花 成 促 進 能 に 必 要 と さ れ る 分 子機 構 は,蛋 白 質 問 相 互 作 用 に よ る と考 え られ た,FT 蛋 白質 は細 胞 質 と核 の 両 方 に そ の 存 在 が 確 認 され るが, 植物 細 胞 内 でFT蛋 白質 とFD蛋 白 質 が 結 合 し核 に 局 在 す る こ とがbimolecular fluorescent complementation法 を用 い て確 認 さ れ た.こ う した 知 見 は,FT蛋 白 質 は核 に お い てFD蛋 白 質 と結 合 し,そ の 活 性 を な ん らか の 機 構 で 調 節 して い る と い うモ デ ル を もた ら した. 2.FT蛋 白質 とFD蛋 白質 の制御 標的 FD蛋 白質 は 転 写 因 子 で あ る と考 え られ る が,そ の 制 御 標 的 を 明 ら か に す る 手 が か りと な っ た の は 丑 ヶy二 重 変 異 体 とμ の 二 重 変 異 体 の 表 現 型 で あ る.ヵ の 二 重 変 異 体 で は,花 芽 分 裂 組 織 を決 定 づ け るAPEZ4侶1(AP1) 遺 伝 子 の発 現 が 著 し く低 下 して い る た め,花 様 の 側 生 構 造 が 形 成 され な い.こ の こ とか ら,FT遺 伝 子 とLFY遺 伝 子 は 冗 長 的 に働 い てAP1遺 伝 子 の 転 写 を 制 御 す る と こ れ ま で 考 え られ て き た45).転 写 因 子 で あ るLFY蛋 白 質 に 関 して は,す で にAP1遺 伝 子 が 直 接 の 制 御 標 的 の ひ とつ で あ る こ とが 示 され て い た46).こ れ に 対 して,FT 遺 伝 子 が ど の よ う にAP1遺 伝 子 の転 写 制 御 に 関 与 す る の か は こ れ ま で 不 明 で あ っ た.し か し,FT蛋 白 質 の 機 能 に 必 要 と さ れ るbZIP型 転 写 因 子FD蛋 白 質 の 存 在 が 明 ら か に な っ た こ と で,FT遺 伝 子 に よ る 、4P1遺 伝 子 の 発 現 制 御 は転 写 因 子FD蛋 白質 を 介 す る可 能 性 が 示 唆 され た.こ れ が 正 しい こ と は,刀 の 二 重 変 異 体 の 表 現 型 がft lfy二 重 変 異 体 の 表 現 型 と酷 似 して お り,AP1遺 伝 子 の 発 現 レベ ル の 著 し い低 下 が 観 察 さ れ た こ とか ら裏 づ け られ る こ と とな った.さ らに,FD蛋 白質 に よ りAP1 遺 伝 子 の転 写 が 誘 導 され る こ と,ま た,そ れ に はFT蛋 白 質 の 機 能 が 必 要 で あ る こ と も示 さ れ,蛋 白 質 問 相 互 作 用 を介 してFT蛋 白質 に よ り活 性 が 調 節 さ れ たFD蛋 白 質 がAP1遺 伝 子 の転 写 を誘 導 す る,と い う結 論 が 導 か れ た.実 際,AP1遺 伝 子 の プ ロ モ ー タ ー 上 に はbZIP型 転 写 因 子 の 結 合 部 位 が 存 在 して お り,こ の 部 分 を失 う と FD蛋 白 質 に よ るAP1遺 伝 子 の 発 現 誘 導 が 起 こ ら な く な る こ とが 確 認 され て い る. 3.FT蛋 白質とFD蛋 白質の機能が必要とされる部位 FD蛋 白 質 の 制 御 標 的 がAP1遺 伝 子 で あ り,転 写 制 御 に 蛋 白質 問相 互 作 用 を介 してFT蛋 白質 の 機 能 を 必 要 とす る こ とか ら,FT蛋 白質 とFD蛋 白質 が と も に 茎 頂 分 裂 組 織 で 機 能 す る こ とが 示 唆 さ れ る.FD遺 伝 子 の 発 現 は茎 頂 で 観 察 され(図6),AP1遺 伝 子 の発 現 領 域 と も 重 な っ て い るの で,FD遺 伝 子 が 機 能 す る 場 所 が 茎 頂 で あ る と考 え る こ とに 無 理 は な い,し か しな が ら,す で に 述 べ た よ う にFT遺 伝 子 は 葉 の 維 管 束 篩 部 で の み 発 現 し て お り,FD遺 伝 子 とは発 現 領 域 が 重 な り合 わ な い.FT 遺 伝 子 の 発 現 場 所 と,FD蛋 白 質 との 関 係 か ら推 測 され るFT蛋 白質 の 機 能 場 所 が 空 間 的 に隔 た っ て い る こ とか Database Center for Life Science Online Service

ら,植 物 体 内 の どこ でFT遺 伝 子 の 機 能 が 必 要 と され る か を 明 らか に す る必 要 が 生 じた. こ う した 目的 の も と,組 織 特 異 的 な プ ロ モ ー ター の 制 御 下 でFT遺 伝 子 を発 現 させ る 実 験 が 行 な わ れ た.そ の 結 果,本 来 のFT遺 伝 子 の発 現 様 式 に 近 い 維 管 束 特 異 的 な プ ロモ ー ター で発 現 させ た 場 合 に加 えて,茎 頂 の 全 体 あ る い は最 外 層(Ll)で の み 発 現 させ た 場 合 に も,戸 変 異 体 の 遅 咲 き表 現 型 を 回 復 で き る こ とが 明 らか に な った. 一 方_{,FD遺 伝 子 に つ い て 同 様 の 実 験 を行 な う と,FD} 遺 伝 子 は本 来 の 発 現 部 位 で あ る茎 頂 で 発 現 させ た と き に のみ 機 能 を発 揮 した.こ れ ま で の 知 見 と総 合 す る と,FT 遺 伝 子 は葉 の 維 管 束 篩 部 で 転 写 さ れ た の ち,な ん らか の か た ち で そ の 産 物(FTmRNAあ る い はFT蛋 白 質)が 茎 頂 へ 移 動 して,最 終 的 に は茎 頂 の 細 胞 にFT蛋 白質 が 存 在 し,FD蛋 白質 と相 互 作 用 す る こ と が そ の機 能 に は 重 要 で あ る と 考 え られ る.こ の こ とは,FT遺 伝 子 の 産 物 そ の もの が 長 距 離 花 成 シ グナ ル(フ ロ リ ゲ ン)の 実 体 で あ る可 能 性 を 強 く示 唆 す る43・44)(図4). お わ り に 古 く か ら 多 く の 人 を 惹 き つ け て き た 花 成 と い う 現 象 が,シ ロ イ ヌ ナ ズ ナ の 遺 伝 学 的 な 解 析 が 花 を 咲 か せ た こ と に よ っ て,分 子 レベ ル で 説 明 で き る よ う に な っ た.春 化 過 程 で は,冬 を 経 験 し た こ と を 記 憶 す る た め エ ピ ジ ェ ネ テ ィ ッ ク な 遺 伝 子 発 現 制 御 を 用 い て い る.光 周 期 に よ る 花 成 の 制 御 過 程 で は,葉 で 受 容 し た 情 報 を 茎 頂 へ 伝 達 す る た め の 長 距 離 シ グ ナ ル と し てFT遺 伝 子 の 産 物 を 用 い て い る. 筆 者 ら とWeigelら の 研 究 グ ル ー プ に よ る 報 告 と 相 前 後 し て,FT遺 伝 子 のmRNAが 葉 か ら 茎 頂 へ 移 動 す る 可 能 性 を 示 し た 論 文 が 公 表 さ れ た47).ま さ にFT mRNA が 移 動 す る シ グ ナ ル の 実 体 で あ る 可 能 性 が 提 唱 さ れ た わ け で あ る.TheAmerican Association for the Advance ment of Science(AAAS)が 発 行 す る 科 学 誌Scienceは, 例 年,そ の 年 の 最 終 号 で 自 然 科 学 に お け る そ の 年 の10 大 ブ レ イ ク ス ル ー を 選 ぶ の を 恒 例 と し て い る が,筆 者 ら の グ ル ー プ を 含 む3つ の グ ル ー プ の 研 究 成 果 を43,44,47), 実 質 的 な フ ロ リ ゲ ン の 実 体 解 明 で あ る と 評 価 し て2005 年 の10大 ブ レ イ ク ス ル ー の3・番 目(“Blooming MarVel ous”)に あ げ た(Science,310,1880-1885,2005,http://www. sciencemag.org/cgi/content/full/310/5756/1880a).た だ し 現 時 点 で は,mRNAが 移 動 す る と い う 決 定 的 な 証 明 お よび 移 動 経 路(篩 管)に つ い て の 実 験 的 な 検 証 が 欠 け て い る.ま た,移 動 す る の がmRNAだ け で あ る と い う こ と も示 さ れ た わ け で は な い.し たが っ て,蛋 白 質 が 移 動 す る 可 能 性 も考慮 にい れ て,移 動 す る分 子 の 実 体 に つ い て 厳 密 な 検 証 を 重 ね る 必 要 が あ る だ ろ う.FT遺 伝 子 の 産 物(と,お そ ら く はTSF遺 伝 子 の 産 物)が 長 距 離 花 成 シ グ ナ ル(フ ロ リゲ ン)の 実 体 で あ る と して,そ れが どの よ うな 機 構 に よっ て 葉 か ら茎 頂 へ と運 ば れ るの か,興 味 深 い 新 た な 問 題 が い ま われ わ れ の 前 に あ る.

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山 口礼子 略歴:2001年 京 都大 学農学 部 卒 業,2003年 京 都 大 学大 学 院農学 研究科 修士課 程 修了,京 都大学 大 学院理 学研 究科 博 士課程 在学 中.研 究テー マ:花 成 とい う現象 に惹か れ,荒 木崇助教授の研 究室の扉をた たく.植 物 の環境応答 と しての 形態形成を理解 する ことが 目標. Database Center for Life Science Online Service