雑誌「Development」で、Polarity in Plants (Annual Plant Reviews, volume 12, edited by Keith Lindsey Blackwell Publishing, ISBN 1-4051-1432-0) という本が紹介されていた。 たまたま、アマゾンでこの本を大変安く買うことができた（カバーの裏表紙に少し皺ができていただけ で、8割引ぐらいで買えた。）ので、これも何かの縁かと考え、特に私の研究と関係する部分を 中心としてこの本の内容を紹介していきたい。
上に書いたように思ったのは、ずいぶん前の話である。その後わかったこと： 私には「細胞極性」とか「細胞分化」とか、理学部生物学科的な格好のよい研究は似合っていなかった。「こういうことをするとこういう有用代謝産物が増える」のような下世話な、世俗的なことをする方がうまくいく。だから以下に書いてある文章は全くアップデートされない。本も埃をかぶっている。
Contents
１． Polar cell growth and the cytoskeleton biology
２． Mechanism of cell polarity establishment and polar auxin transport
３． Polarity and cell walls (p72-121, 50ページもある)
Wojtaszek P., Volkmann D. and Baluska F (よく知らない人たち)
3.1 Introduction
まず、「極性とはなにか」を最初に定義している。
細胞極性＝細胞によって確立され維持された、形態、活性の非対称性。 一つの細胞のレベルでも、多細胞のレベルでもみられる。
植物の細胞では、周りを細胞壁で取り巻かれている。動物細胞では細胞骨格がそのまま極性を表現するが、植物では細胞骨格などの作用は細胞壁を通じて極性として現れる。
極性の確立に対して細胞壁が果たす役割を研究することは難しい。さまざまな要因で細胞壁の構築は影響を受けるので、原因と結果を明確に分けることが難しい。分子遺伝学が有効な手段である。ゲノム解析から、細胞壁に関わる遺伝子はとても多いことが予想される。
3.2 Cell wall and turgor - the physiology of "walled" cells
細胞には細胞質と外界を分けるしきりが必ずある。細胞質は溶質濃度が高いため、浸透圧的に水が流れ込み、膨圧(turgor)が生じる。膨圧に細胞膜が耐えられないと、細胞は破壊される。それを避けるために、動物細胞ではNa+/K+-ATPase が働いている。植物、カビ、バクテリアでは、強固な細胞壁を形成して膨圧に対応している。
細胞壁のある細胞では、細胞形態は、膨圧と細胞壁の物理的性質によって決まる。
3.3 Cell wall-plasma membrane-cytoskeleton continuum in plant cells
動物細胞では細胞骨格が細胞外マトリックス（ECM）が相互作用してfocal adhesion を形成している。ECMは物理的な力を細胞が関知するのに役立っている（それ以外にも重要だが）。植物細胞では細胞骨格と細胞壁が適切に相互作用することがそれぞれの機能に必要である。細胞壁は、細胞骨格のアンカーとして働き、細胞質の成分の正常な局在や原形質流動、mRNAの局在に必要とされる。植物細胞にも、focal adhesion のように細胞壁（ECM)と細胞骨格をつなぐ仕組みがあると考えられている。
動物細胞のfocal adhesion を構成しているタンパク質に対する抗体を用いて、植物細胞から相同なタンパク質を見いだそうという試みがあったが、うまくいっていない。RGDペプチドが、植物でも細胞接着（細胞壁と細胞膜の）に関わっていることを示唆する報告が多数ある
「私のコメント：非常に興味深い効果があることが、この本にも引用されている。しかし、分子遺伝学的な方法で研究した例はないらしい。RGDペプチドを外から与えたときの効果をみただけのものばかりである」
が、RGDペプチドと結合する成分は植物では見つかっていない。高濃度のNaClに適応した培養細胞は、細胞壁の構成が変化し、細胞壁と細胞膜が強く結合する。AGPが減ることも報告されている。原形質分離によって、Hechian strand というものが形成される。Hechian strand は、細胞壁と細胞膜の結合の研究に重要らしい。
（私のコメント： Hechian strand については、Plant Cell Biology - structure and function BRIAN E.S. GUNNING and MARTIN W. STEER という本の、Plate 16c に写真が掲載されている。）
Hechian strand に、細胞骨格が関わっているかどうかは、はっきりしていない。細胞をプロトプラストにすると細胞骨格の安定性が変化するが、そこに外部から細胞壁成分を与えると回復する（柴岡先生のグループの仕事）。Vallisneriaの原形質流動は、プロテアーゼで細胞壁とアクチン骨格の相互作用が阻害されると、異常になる（高木先生のグループ）。トウモロコシの根の細胞では、ペクチン分解酵素、キチナーゼを用いて、（たぶん）AGPがアクチン骨格の安定化に働いていることが示されている（Fig.3.1）。
「私のコメント：植物のキチナーゼは、侵入してきたカビの細胞壁を分解するために働いていると思われてきたが、植物自体のAGPに働くタイプのキチナーゼもあるらしい。私も以前、ある細胞壁を弱体化する処理で、酸性タイプのキチナーゼ（普通の病原菌応答するものとファミリーが異なる？）が誘導されることを見つけたが、「単なるストレス応答ではないか」と思い、それが植物自体の細胞壁成分に働くという可能性は、全く考えていなかった。キチナーゼ遺伝子が変異して、リグニンなどが増えるという論文もある。Zhong R, Kays SJ, Schroeder BP, Ye ZH. ' Mutation of a chitinase-like gene causes ectopic deposition of lignin, aberrant cell shapes, and overproduction of ethylene. 'Plant Cell. 2002 Jan;14(1):165-79. 」
Wall-associated kinases (WAKs）が注目されている。WAKが欠損すると植物の生長に影響がある。ペクチンがWAKと結合する。AGPも結合すると言われている。AtGRP-3（グリシンリッチタンパク質）も細胞外ドメインに結合する。細胞内にはKAPPが結合する。コラゲナーゼは、植物の細胞壁成分（GRPなど）を分解する活性もある。WAK以外にも、細胞外ドメインがレクチンと相同なレセプターキナーゼ、エクステンシンドメインを持つキナーゼも見つかっている。
3.4 Cell walls and polarity at the cellular level: targeted exocytosis and local endocytosis establish and maintain specialised wall domains
細胞壁は単に細胞を保護するだけでなく、形態形成にも重要である。形態の変化には細胞壁成分の変化が伴うことがあり得る。細胞壁に分泌されたタンパク質が胚形成においてシグナルとして働いている。細胞壁は均一ではなく、位置情報などを保持するためのシグナルが局在したドメイン構造を形成していると思われる。しかし、そのことに関する研究はほとんど進んでいない。
細胞壁にドメイン構造がある例として、root hair と pollen tubeの先端成長について論じている。根毛が生えてくるとき(表皮細胞の細胞壁の特定の部分だけが、構造変化する)も、伸長するとき（先端の細胞壁だけが変化する）も、細胞壁の特定部分だけの構造変化が重要な役割を果たす。もう一つの例として、縦に長く伸長している細胞の、伸長している縦方向の細胞壁と、伸長しない横方向の細胞壁の違いを論ずる。細胞壁のドメインを論ずることは、細胞骨格や、細胞骨格で制御される分泌系について論ずることと共通性がある。
3.4.1 Unique properties of cell wall domains are essential for the establishment and maintenance of polarity in tip-growing cells
成長中の細胞では、細胞壁は動的であり、局所的なexocytosis と endoxytosis によって常に作り替えられている。そのことが差次的な伸長をもたらし、極性を形成する。"Targeted secretion" （特定部位への分泌）が、細胞が細胞壁に特別なドメイン（局所的に性質が異なる）を形成するための手法であると考えられている。例として、根毛と花粉管の先端成長が挙げられている。一つの細胞でも、成長している根毛、花粉管の先端部分の細胞壁は柔らかい状態にあるが、根本に近い部分の細胞壁は次第に堅くなっていく。先端部分の細胞壁は、ペクチンが主成分である。ペクチンのメチルエステル化の度合い、カルシウム、ホウ素との結合状態によって、先端部分の堅さが決められている。最近、ペクチンはエンドサイトーシスによって細胞内に活発に取り込まれることが明らかにされた。局所的な分泌だけでなく、エンドサイトーシスも、細胞壁が局所的に変化したドメインの形成に役立っているかもしれない。
根毛は、トリコブラストと呼ばれる特別な表皮細胞の、細胞壁が局所的に薄くなることから始まる。トリコブラストは、同時に縦方向の伸長成長も行っている。表皮細胞は、表面の部分の細胞壁だけが、厚くなっている。根毛が発生する際には、この厚い細胞壁が薄くなる。同時に、薄くなった部分から放出された物質は細胞内に取り込まれ、分解される。根毛が発生する部分では、エクスパンジンやXTHが局所的に活性化され、その部分がふくらむ。その部分には、AGPや、それ以外のよくわからない分子も局在するようになる。mur1 という変異体では、AGPの糖鎖にフコースがつかなくなるが、根毛の基部のふくらみが拡大される。reb1変異体（UDP-Glucose epimerase 変異、UDP-Galactoseができにくい）では、AGP が減少しているが、おなじことがおきるらしい。der1変異体（ACTIN2が欠失）でも、そうなるらしい。AGPの、根毛の形成に関する重要性は、Yariv試薬（AGPと結合する）によっても確認された。Yariv試薬は、トリコブラストの外側の細胞壁をふくらませる。花粉管の先端成長と、極性を阻害する。Yariv試薬は、細胞伸長を阻害するが、それはAGPを介してアクチンと関係するかもしれない。
（コメント：私も試してみたことがある。確かに表皮細胞だけが膨らんだ。Yariv試薬は買うととても高いのが欠点である。本気で何かに使うのであれば自分で作る必要があるが、やっていない）
トリコブラストが膨らみ始めるとき、細胞壁のpHも局所的に低下する。それによってエクスパンジンの活性が増大する。エクスパンジンは根毛の先端をバーストさせる。KOJAK, LRX という細胞壁関連の二つの変異体では、同様なバーストが起きやすい。KOJAKは、花粉管の伸長にも大切らしい（KOJAKはセルロースでない、なんらかの多糖の合成酵素であるらしい）。花粉管の先端にはホウ素が蓄積していて、欠乏するとバーストする。局所的に細胞壁が弱くなると、膨圧によってその部分が膨らみ、根毛が伸び始める。その部分には、MAPKの仲間であるSIMKが局在して活性化してくる。SIMKは、根毛の部分の細胞壁の強度をモニターして、細胞壁が柔らかくなりすぎないようにするために働いているのかもしれない（コメント：そうだとしたらおもしろいが、今のところ証拠はないと私は思う。また、強度をモニターする仕組みについては言及がない。伸展活性化チャネルがその候補だが、植物ではまだ実態ははっきりしていない。伸展活性化チャネルが変異すると、根毛に影響があるのかもしれない。酵母では、伸展活性化チャネルが変異すると、接合管形成をしたとき（根毛の形成と同じように、細胞の一部分が長く伸びる）、細胞が生きられなくなる：mid1、飯田先生のグループ。しかし、植物細胞では、もっといろいろな影響が出てしまうだろうから、表現形はもっと複雑になるだろう）。MAPKは、アクチンの重合に関わっているのかもしれない。もしくは、細胞壁の堅さの調節（微妙なバランス）にも関わっているのかもしれない。
RHD2 (root hair defective) 遺伝子は、NADPH oxidase （細胞表層で、スーパーオキサイドを生成する酵素）遺伝子のサブユニットをコードしている。このことは根毛形成と活性酸素の関係、根毛におけるカルシウム濃度の形成と活性酸素の関係を示す。活性酸素は細胞壁の分子の架橋に必要であるので、rhd2が根毛形成しないのは細胞壁の性質の変化かもしれない。しかし、活性酸素には細胞骨格や分泌系に対する働きもある。根毛形成の変異体（Table 3.1)は、活性酸素と細胞極性確立の関係を研究するのに有用だろう。
根毛や花粉管の先端が破壊しないように、細胞壁構造タンパクや wall-associated kinase やフラボノールが働いている。細胞壁のペクチンが、カルシウムやホウ素でクロスリンクすることも、先端部のゆるみ、構造強化を維持するのに大切である。そのためには、先端での分泌だけでなく、先端部のペクチンが細胞内にエンドサイトーシスされることも大切である。最先端の部分は、活発にエクソサイトーシスで分泌し、その周囲ではエンドサイトーシスが起きることにより、先端に局在した成長が起きる。最先端部のペクチンはクロスリンクしていないが、それよりも下部のものはクロスリンクして堅いので、最先端だけが膨圧、アクチンの作用で伸長する。最先端の部分でエクソ、エンドサイトーシスの両方が活発なことは、根毛、花粉管で確かめられている。ペクチンは、Blefeldin A(BFA) で処理した細胞では、細胞内の特殊な顆粒に蓄積する。この顆粒には、エンドサイトーシスのマーカー分子が局在している。 Blefeldin A(BFA) は，小胞が形成される際分子スイッチとして機能する低分子量GTPase，Arf GTPase のヌクレオチド交換因子の阻害剤であり，植物細胞においてもBFA 処理により細胞膜タンパク質や細胞壁ペクチンのリサイクリングが阻害されることが既に報告されている。
（私のメモ：
花粉管の伸長はプロテアソーム阻害剤 MG-132 で阻害され太く短くなる
Plant Physiol. 2001 Jul;126(3):1150-61. Speranza A, Scoccianti V, Crinelli R, Calzoni GL, Magnani M.
Inhibition of proteasome activity strongly affects kiwifruit pollen germination.
Involvement of the ubiquitin/proteasome pathway as a major regulator.
Related Links： Roles of the ubiquitin/proteasome pathway in pollen tube growth with emphasis on
MG132-induced alterations in ultrastructure, cytoskeleton, and cell wall
components. [Plant Physiol. 2006] PMID:16778013
この論文の abstractには「Finally, fluorescence labeling with antipectin antibodies and calcofluor indicated that MG132 treatment induces a sharp decline in pectins and cellulose. 」と書いてある。細胞壁成分全体の分泌が抑えられるのかもしれない。
セルロース合成阻害剤も花粉管に作用する Lazzaro MD, Donohue JM, Soodavar FM.
Protoplasma. 2003 Mar;220(3-4):201-7.
Disruption of cellulose synthesis by isoxaben causes tip swelling and
disorganizes cortical microtubules in elongating conifer pollen tubes.
）
先端成長に伴う激しい小胞輸送は、細胞質の高濃度のカルシウムと深い関係がある。根毛と花粉管の先端は、カルシウム濃度が高い。エンドサイトーシスされるペクチンの量は、カルシウム濃度で制御されているらしい。カルシウム濃度によって制御される、小胞輸送関連タンパク質が見つかっている（synaptotagmins シナプトタグミン）。これはシナプスで働いているが、シロイヌナズナにも、よく似たものが存在する。植物にもシナプスに相当するような構造があって、オーキシンが伝達物質のような働きをしていると考えることもできる。植物のシナプトタグミンは、小胞と原形質膜と細胞壁のカルシウム濃度に依存した相互作用に関わっている。
エンドサイトーシスは、エクソサイトーシスと独立して制御され、細胞壁の構築制御（特に花粉管の先端成長）に働いているかもしれない。エクソサイトーシスが起きていても、先端成長は阻害されることがある。そのとき、先端の細胞壁が異常に肥厚する。エンドサイトーシスと、エクソサイトーシスのバランスが大切である。アクチンを脱重合させると、バランスが崩れる。エンドサイトーシスは、アクチンを必要とするが、エクソサイトーシスは、アクチンが脱重合していてもおきる。花粉管が管状であるためには、エンドサイトーシスが必要である。
SIMK は、先端成長と、小胞輸送をカップリングするのに働いている。阻害されると、根毛の先端が肥大して、先端成長が停止する。アクチンの脱重合とSIMK の阻害はよく似た効果を示す。根毛の先端が肥大する。アクチンに依存した小胞の「クリアー ゾーン」が構築されなくなる。液胞が根毛の先端の方にまで拡大していく。アクチンが脱重合すると、エンドサイトーシスが起きなくなる。ラトランクリンBは、アクチンを脱重合するが、先端成長を抑制する。しかし原形質流動はそれでも起きている。そのときの先端の細胞壁の厚さを調べる必要がある。RHD4変異体は、根毛の細胞壁が厚い。これを調べることが、役に立つかもしれない。
3.4.2 Cell wall domains of cells elongating axially along the apical-basal polarity axis: cross-walls versus side-walls
先端成長は顕著に細胞極性を表現する成長様式だが、植物体では先端成長を行っている部分は少ない。植物細胞の主要な成長は、diffused growth と呼ばれ、細胞の縦軸方向に伸長が起きる。伸長しない方向（横向き、上と下）の細胞壁は、細胞が分裂から伸長に移り変わっても、伸びることはない。この移り変わりは "sensory growth zone" ができることで起きる（コメント：私には、このゾーンがどんなものかわからない）。急速な縦軸方向の細胞伸長は植物特有である。ストレス条件下、またアクチン繊維がなくなると、この伸長は停止して、盆栽のように矮化する。伸長成長に関わる変異体は非常にたくさん存在することは、この成長の複雑さと研究対象としての大切さを示している。根に伸長帯が存在しない変異体がある。この変異体の、伸長帯の細胞壁の組成に変化があるかもしれない。培養細胞では、円形に近い細胞と、長くのびた細胞で細胞壁組成に違いがあることが報告されている。
植物細胞では、伸長軸に沿った細胞伸長と、頂点側−基底側の区別という極性の確立は、受精卵が一回目の不等分裂を起こしたときにすでに起きている。どちらの現象も、オーキシンの極性移動と関わっている。オーキシンの輸送は、伸長しない側の細胞壁を通じて起きる。受精卵の初期の極性とカロース合成に関連がある。micropylar end の細胞壁は厚い。反対側のchalazal end は逆に薄い。JIM8という抗体は、アラビノガラクタンを認識するが、初期胚はすべての細胞がこの抗体で染まるが、後になると、basal cells に由来する細胞だけが染まるようになる。
＜この章はまだ続くが、あまりおもしろくないので以下省略＞
４． Polarity in single cells: root hairs, epidermal pavement cells and trichomes
５． From polarity to pattern: early development in the fucoid algae
６． Polarity in Arabidopsis embryogenesis
７． Polarity in roots
８． Development of the shoot apical meristem
９． Polar signals in vascular development
１０． Establishment of polarity in lateral organs of seed plants
１１． Polarity in floral development