博 士 （ 農 学 ） 内 山 貴 子
学 位 論 文 題 名
植 物 ト ラ ン ス ポ ゾ ン と 宿 主 ゲ ノ ム の 問で 構 築 さ れた 遺 伝 機 構 に 関 す る 研 究
学 位 論 文 内 容 の 要 旨
高 等 植 物 の ゲ ノ ム に は ト ラ ン ス ポ ゾ ン が 数 多く 含ま れ てい る． トラ ン スポ ゾン の転 移が 宿 主遺 伝子 の 発現 や遺 伝子 構造 に 与え る影 響は ，遺 伝 的な 変異 とし て 形質 に表 れる ．そ のため宿 主生 物の 適 応度 を大 幅に 下げ る 一方 で， 多様 性に 富 んだ 形質 をも た らす 長所 もあ る． 植物と動 物 を 比 較 す る と ， 植 物 で は ト ラ ン ス ポ ゾ ン が 原因 とな っ て発 生す る変 異 の割 合が 高い とい わ れる ．動 い て身 の危 険を 回避 す るこ との でき る動 物 に対 し， 固着 生 活を おく る植 物に とって，
ト ラ ン ス ポ ゾ ン の 生 み 出 し た 遺 伝 的 多 様 性 が 適応 進化 の 原動 カと なっ て きた こと を示 した 事 例も ある ， トラ ンス ポゾ ンの 転 移に より 生じ た変 異 の中 には ，宿 主 遺伝 子の 機能 を損 ねない変 化が 発生 す る事 例が 数多 く報 告 され てい る． なか で もMcClintockが見出し たSpmーsuppressible alleleに お け る 古 典 的 遺 伝 現 象 で は ， ト ウ モ ロコ シの ト ラン スポ ゾンdSpmが プロ モー ター 領 域 に 挿 入 し て も ， 転 移 酵 素 遺 伝 子 を コ ー ド す る 自 律 性 因 子Spmが 共 存 し ない 限りdSpmの挿 入 を 受 け た 遺 伝 子 の 発 現 は 妨 げ ら れ な い ， こ の 遺伝 子が 発 現で きる のは ，dSpmがプ ロモ ータ ー 構 造 に 何 ら か の 転 写 活 性 の 維 持 機 能 を も っ た めと 考え ら れて いる が， 状 況証 拠を 得る に止 ま り．その根底にあるメカニズムを証明するに至ってはいない．
第2章 で は ， キ ン ギ ョ ソ ウ と そ の ゲ ノ ム に 内 在 す る ト ラ ン ス ポ ゾ ンTam3に 着目 し， この 問 題 に 取 り 組 ん だ ， こ れ ま で キ ン ギ ョ ソ ウ で 見 出さ れたTam3が 挿入 され て いる 遺伝 子で は， 転 写あ るい は 発現能カ を示す，いわゆる Tam3‑pennissible allele が多数 を占めている．その中 でも プロ モ ータ ・ー 領域 に挿 入 があ るも のはTATAーboxよ り 上流200 bp以 内にI転 写と 同じ向き のTam3の 挿 入 が あ り ， プ ロ モ ー タ ー の 中 核 部 位 をTam3が 分 断 し た 場 合 で も 遺 伝 子 の 転 写 活 性は維持されている，これらをnivrec・like permissible alleleと呼び，Spm‑suppressible alleleの問題 と置き換えて，その機 構の解明に向け解析を行った ． Spm‑suppressible alleleでは自律性因子の 有無が遺伝子の発現を左右しているが，nivrec・like permissible alleleはTPaseの有無にかかわらず 遺伝子の発現が起こる ため，トランスポゾンを介し た遺伝子発現機構を調べる 上で，nivrec一like permissible alleleはプ ロモ ー ター に挿入した トランスポゾンの直接の効 果を見ることができる 点 で 優 れ て い る ． 著 者 は 転 写 シ ス モ チ ー フ ， 転 写 開 始 点 お よ ぴDNAメ チ ル化 など の既 知の 遺 伝子 発現 に 関連 した 調査 を行 い ，い ずれの場合 もpermissible alleleに当 てはめることはできな かった．そこでnivrecIlike permissible alleleに共通するTam3の挿入様式（遺伝子との配置関係）
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に 原 因が あ る と 考え ， そ の 遺伝 子 構 造 を酵 母 ゲ ノ ムに お いて構 築し， 発現解析 を行っ た．酵 母 では，nivrec・like permissible alleleにみられる発現様式が忠実に再現された．さらに，nivea座のプ ロ モ ータ ー 領 域 に挿 入 し たTam3の3 側の 配 列 が 規定 す る ヌ クレ オ ソ ー ムの 配 置 と，遺 伝子の 転写活性の間に高い相関を見いだした．著者は，他のキンギョソウnivrec一like permissible allele で も 共通 し てTam3の3 側 が安 定 し て ヌク レ オ ソ ーム 構 造 を 形成 す る こ とを 確 認 し，こ の領域 が 酵 母の 遺 伝 子 にお い て も 同じ よう に働く と推定 できた ．結論 としてnivrecIlike permissible alleleの 協調 的 遺 伝 子発 現 を 可能 にした のは，Tam3の3 側 配列の 物性的 特徴， クロマ チンコ ー ドであることが強く示唆された，
高等 植 物 に 含ま れ る ト ラン ス ポ ゾ ンの 大 部 分 は， 転 移が 抑制さ れてい る．真 核生物 の備える DNAメ チ ル 化 機 構 やRNAi経 路 な ど エ ピ ジ ェ ネ テ ィ ッ ク な ト ラ ン ス ポ ゾ ン サ イ レ ン シ ン グ 機 構 は ト ラ ン ス ポ ゾ ン の転 移 や ウ イル ス の 進 入な ど か ら 自身 の ゲ ノ ムの 守 る た めに 発 達 し てき た 汎 用的 機 構 で ある ． し か し， ト ラ ン スポ ゾ ン と 宿主 と の密接 な進化 から生じ た遺伝 的な相 互 作 用 とし て 獲 得 され た も の では な ぃ ． キン ギ ョ ソ ウで は ，宿主 ゲノム との共進 化過程 で獲得 さ れ た と 考 え ら れ る 遺 伝 的 な 制 御 機 構 が 複数 見 出 さ れて い る ． Tam3の 低 温依 存 性 転 移(LTDT) は ， キン ギ ョ ソ ウが 低 温 で 生育 さ れ た 時に 転 移 が 起こ り ，高温 時では 転移が抑 制され る転移 機 構 を 指 し ， 温 度 に 応 じたTam3‑TPaseの 核 局在 性 が 宿 主因 子 に 調 節さ れ る こ とに 起 因 し た反 応 である(Hashida et々′．，2006). Stabiliser（闘やNew Stabiliser (NSt)と呼ばれる2つの主働遺伝子 は ，Tam3の 転 移 を完 全 に 抑 制す る ． 第3章 では 宿 主 の 転移 抑 制 遺 伝子 ＆ お よ びNSt遺 伝 子 に よ るTam3の 転 移抑 制 機 構 の解 析 を 行 った ． キ ン ギョ ソ ウ の 胚形 成 期 に はNStを 除 き，LI丶DTや ＆ はTam3の 転 移 を 制 御 で き な い こ と を 見 出 し ， 新 た なTam3の 転 移 制 御機 構 が 存 在す る こ と を 明 ら かに し た ． ＆お よ びNStは ，転 移 酵 素 遺伝 子 の 発 現を 阻 害 す る方 法 でTam3の転 移を抑 制し て い ない こ と を 示し ， 既 知 のエ ピ ジ ェ ネテ ィ ッ ク な機 構 とは異 なるこ とを裏付 けた． 可能性 の あ る メカ ニ ズ ム とし てTam3 ‑TPaseの 結 合 部位 に 別 の タン パ ク 質 が結 合 す る モデ ルを 考えた ， さ ら に ＆ お よ びNSt遺 伝 子 の 単 離 を 進 め た結 果 ， 両 遺伝 子 にTam3が 強 く連 鎖 す る こと を 突 き 止 め ， ゲ ノ ム ラ イ ブ ラリ ー の ス クリ ー ニ ン グか ら 得 ら れた 両 遺 伝 子の 構 造 的 な特 徴 と 遺 伝子 の機能を考察した．
本 論文 で は ， キン ギ ョ ソ ウと そ の ゲ ノム に 内 在 する ト ラ ン スポ ゾ ンTam3に 見 出さ れ た 共 存 的 な 関 係 に着 目 し ， トラ ン ス ポ ゾン を 介 在 した 転 写 の 調節 機 構 と 宿主 に よ る トラ ン ス ポ ゾン の 転 移 抑 制機 構 に っ いて 研 究 を 行っ た ． ト ラン ス ポ ゾ ンの 活 動 に 適し た ゲ ノ ムを も つ 植 物に 韜い て ， 両 者の 間 で 構 築さ れ た 協 調機 構 と 制 御機 構 の2つ の 遺伝 機 構 を 具体的 に示し ，両機 構 の 解 析 を 通じ て 植 物 ゲノ ム に お ける ト ラ ン スポ ゾ ン の 活動 が 進 化 的に 維 持 さ れて き た 原 因と なる メ カ ニ ズム を 提 示 した ． 形 質 の遺 伝 的 な 安定性 を考え る時， トラン スポゾ ンの転 移は育 種 学的 に も 重 要な 要 因 と なる ． 本 論 文で は 「 ト ランス ポゾン と宿主 との関 係」と いう側 面から そ れら の 性 質 を捉 え て き た， ト ラ ン スポ ゾ ン に は個カ の特性 があり ，統一 的には 扱いづ らいが ， 植 物 ト ラ ンス ポ ゾ ン の多 く は ゲ ノム の 中 で 共に 安 定 し てそ の 活 性 を維 持 し て きた ． 本 研 究に よ っ て 得 られ た ト ラ ンス ポ ゾ ン と宿 主 の 聞 の遺 伝 機 構 に関 す る 知 見が ， 形 質 の安 定 性 や 変異 創成 が 求 め られ る 作 物 育種 に 資 す るこ と を 期 待す る ．
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学位論文審査の要旨
学 位 論 文 題 名
植物トランスポゾンと宿主ゲノムの間で構築された 遺伝機構に関する研究
高等植物のゲノムには動く遺伝子として知られるトランスポゾンが数多く含まれている．トランス ポゾンの転移が宿主遺伝子の発現や遺伝子構造に与える影響は，遺伝的な変異として形質に表れる，
そのため宿主生物の適応度を大幅に下げる一方で，多様性に富んだ形質をもたらす長所もある．植物 と動物を比較すると，植物ではトランスポゾンが原因となって発生する変異の割合が高いといわれる 動いて身の危険を回避することのできる動物に対し，固着生活をおくる植物にとって，トランスポゾ ンの生み出した遺伝的多様性が適応進化の原動カとなってきたことを示した事例もある．トランスポ ゾンの転移により生じた変異の中には，宿主遺伝子の機能を損ねない変化が発生する事例が数多く報 告されている．
本論文では，キンギョソウとそのゲノムに内在するトランスポゾンTam3に見出された共存的な関係 に着目し，トランスポゾンを介在した転写の調節機構と宿主によるトランスポゾンの転移抑制機構に ついて研究を行った．トランスポゾンの活動に適したゲノムをもつ植物において，両者の問で構築さ れた協調機構と制御機構の2つの遺伝機構を具体的に示し，両機構の解析を通じて植物ゲノムにおけ るトランスポゾンの活動が進化的に維持されてきた原因となるメカニズムを提示した，形質の遺伝的 な安定性を考える時，トランスポゾンの転移は育種学的にも重要な要因となる，本論文では「トラン スポゾンと宿主との関係」というこれまでにをい独自の側面からそれらの性質を捉えている，よって審 査 員 一同 は 内 山貴 子 が 博士 （ 農 学） の学位を 受ける に十分な 資格を有 するも のと認め た．
以下、具体的な論旨は以下のようにまとめられる．
トランスポゾンの協調機構としては、McClintockが見出したSpm‑suppressible alleleにおける古
治 雄
夫 延
祐 芳
哲 介
島 野
上 野
貴 佐
三 藤
授 授
授 師
教
准 教
教 講
査 査
査 査
主 副
副 副
典的 遺伝 現象 が 知ら れて いる 。ト ウ モロ コシ のト ラン ス ポゾ ンdSpmが プロモー ター領域に挿入して も， その 遺伝 子 の発 現は 妨げられないことがある．こ の遺伝子が発現できるのは ，dSpmがプロモータ ー構 造に 何ら か の転 写活 性の維持機能をもっためと考 えられているが，状況証拠 を得るに止まり，そ の根底にあるメカニズムを 証明する．に至ってはいな い，
内 山氏 は， キ ンギ ョソ ウとそのゲノムに内在する卜 ランスポゾンTam3に着目し ，この問題に取り組 んだ ．こ れま で キン ギョ ソウで見出されたTam3が挿入 されている遺伝子では，転 写あるいは発現能カ を示す． Ni vea座の中 にはプロモーターの中核部位をTam3が分断した場合でも遺伝子の転写活性が維 持される対立遺伝子があり ，このような対立遺伝子を 総称してヵiI/ec一like permissible alleleと呼 び，Spmーsuppressible alleleの問題と置き換えて， その機構の解明に向け解析を行った，著者は転写 シス モチ ーフ ， 転写 開始 点お よびDNAメチ ル 化などの 既知の遺伝子発現に関連し た調査を行い，いず れ の 場 合 もSpm―suppressible alleleに 当 て は め る こ と は で き な か っ た ．そ こ でni〆° ーlike permissible alleleに共 通するTam3の挿入様式（遺伝 子との配置関係）に原因が あると考え，その遺 伝子 構造 を酵 母 ゲノ ムに おい て構 築 し， 発現 解析 を行 っ た． 酵母 では ，nit/e'̲like permissible alleleに みら れ る発 現様 式が 忠実 に 再現 され た， さら に ，njvea座の プロ モー ター 領 域に 挿入 した Tam3の3 側 の配 列が 規定 す るヌ クレ オソ ー ムの配置 と，遺伝子の転写活性の間 に高い相関を見いだ した．著者は，他のキンギ ョソウ門il/ec−like permissible alleleでも共通してTam3の3 側が安定 して ヌク レオ ソ ーム 構造 を形成することを確認し，こ の領域が酵母の遺伝子にお いても同じように働 くと推定できた．結論とし てn il/ecーlike permissible alleleの協調的遺伝子発現を可能にしたのは，
Tam3の3 側 配 列 の 物 性 的 特 徴 ， ク ロ マ チ ン コ ー ド で あ る こ と が 強 く 示 唆 さ れ た ． 高 等植 物に 含 まれ るト ラン スポ ゾ ンの 大部 分は， 転移が抑制されている，真核 生物の備えるDNAメ チル 化機 構やRNAi経 路な どエピジェネティックなトラ ンスポゾンサイレンシング 機構はトランスポゾ ンの 転移 やウ イ ルス の進 入などから自身のゲノムを守 るために発達してきた汎用 的機構である，しか し， トラ ンス ポ ゾン と宿 主との密接な進化から生じた 遺伝的な相互作用として獲 得されたものではな い．キンギョソウでは，宿 主ゲノムとの共進化過程で 獲得されたと考えら．れる遺伝的な制御機構が複 数見出されている． Stabiliser (St)やNew Stabiliser (N5．めと呼ばれる2つの 主働遺伝子は，Tam3
の転 移を 完全 に 抑制 する ．著 者は 宿 主の 転移 抑制 遺伝 子Stお よぴNSt遺伝 子に よるTam3の 転移 抑制 機構 の解 析を 行 った ．キ ンギ ョソ ウ の胚 形成 期にStはTam3の 転移 を制 御できな いことを見出し，新 たなTam3の転 移 制御 機構 が存 在す る こと を明 らかに した．StおよびNStは，転移 酵素遺伝子の発現を 阻害 する 方法 でTam3の転 移を抑制していなぃことを示 し，既知のエピジェネティ ックな機構とは異な ることを裏付けた，可能性 のあるメカニズムとしてTam3−TPaseの結合部位に別の タンパク質が結合す るモ デル を考 え た． さら にStおよ びNSt遺 伝 子の 単離 を進 めた 結 果， 両遺 伝子 にTam3が強 く連 鎖す
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ることを突き止め，ゲノムライブラリーのスクリーニングから得られた両遺伝子の構造的な特徴と遺 伝子の機能を考察した．
