植物の形態形成の大きな特徴の一つは細胞伸長が大きな役割を果たしている点にある。細胞伸長による体積増加は通常50倍を超え、植物の柔軟な形づくりの原動力である。環境情報と遺伝的なプログラムは共に植物ホルモンを介して細胞伸長を制御している。私たちのグループでは伸長成長を制御するジベレリンに関する転写調節と情報伝達を分子レベルで解析している。




title_1.jpg(63967 byte)

 RSG は我々のグループが単離した新しい bZIP 型転写調節因子である。この転写因子の機能を抑制した形質転換植物では植物ホルモンのジベレリン内生量が大きく減少し、細胞伸長が著しく阻害され、矮化形質を示した。我々は RSG がジベレリン合成酵素遺伝子の発現を制御していることを発見した(PLANT CELL, 2000)。すなわち転写因子 RSG はジベレリン内生量制御を介して植物の形態を調節しているのである。RSG の標的遺伝子を調べた結果、RSG は GA 生合成酵素遺伝子のNtKONtGA20ox1 の二つの遺伝子を直接制御していることが明らかになった (Plant J., 2010)
 植物はGA内生量が変動するとフィードバック制御を発動させGA内生量を一定に維持しようとする。例えばGA生合成阻害剤を用いてGA内生量を人為的に低下させると、GA生合成反応の終盤を触媒するGA 20-酸化酵素とGA 3-酸化酵素の発現が転写レベルで上昇する。GA生合成はGA信号伝達系により制御されているのである。植物ホルモン研究の大きな二つの流れは内生量制御の解析と信号伝達系の解析である。我々はGAフィードバック制御を二つの研究局面の接点と捉え、分子レベルの解析を行っている。RSG は GA 内生量が低下した時、タバコの GA 20-酸化酵素遺伝子 NtGA20ox1 に直接結合しフィードバック制御に関与す。この時、NtGA20ox1 プロモーターのヒストンコードが変化することが明らかになった (Plant J, 2010)。

GApathway.jpg(129217 byte)
転写因子RSGの機能阻害により矮化したタバコ(左)と GA 生合成経路(右).


 遺伝子の秩序正しい発現調節には転写因子間の相互作用が重要である。RSG を中心とした転写調節系がいかにして発生のプログラムと環境情報を統合し、ジベレリンの内生量を調節しているかを明らかにするため、bZIP 型転写因子 RSG と相互作用するタンパク質群を単離し解析している。そのうちの一つのグループは、14-3-3 と呼ばれる真核生物に広く存在する制御因子であった。14-3-3 はリン酸化セリン/トレオニンを中心とするモチーフを認識して標的タンパク質と結合する。 14-3-3 は転写活性化因子 RSG を負に調節しており(PLANT CELL, 2001)、その機能調節の実体は RSG の細胞内局在制御である事を見出した。すなわち発生のプログラム、環境刺激は RSG と 14-3-3 の結合を制御することで、 RSG の機能ひいてはジベレリン内生量を制御していると考えられる. この研究は注目を集め PLANT CELL 誌の IN THIS ISSUE で紹介され 、Faculty of 1000 Biology にも選出された。
 RSG の細胞内局在に影響を与える要因を探索したところ、RSG の細胞内局在は GA の内生量によって制御されることが明らかになった。GA の内生量が低下すると RSG は核に蓄積し、GA を投与すると RSG は細胞質に移行した。この結果は RSG が GA フィードバック制御に関与することを示唆している(PLANT CELL, 2004)。実際、RSG の機能を抑制すると GA20ox(GA 20-酸化酵素)遺伝子のフィードバック制御が阻害された。 

image0151.jpg(74905 byte)

S114A 変異型 RSG の核への局在(左)、CDPK と 14-3-3 による RSG の機能調節機構のモデル(右).





title_2.jpg(59437 byte)
 RSG と 14-3-3 の結合は、RSG の 114 番目の Ser 残基のリン酸化によって制御されている。したがって 114 番目の Ser 残基をリン酸化するキナーゼは RSG と 14-3-3 の結合、ひいては RSG の細胞内局在を制御する。我々は RSG キナーゼの実体が CDPK(カルシウム依存性タンパク質キナーゼ)の一つであることを明らかにした(PLANT CELL, 2008)。なお、この論文は Faculty of 1000 Biology に選出された。GA は CDPK を介して RSG の機能を制御しているのである。
 Ca依存性タンパク質キナーゼNtCDPK1がいかにして基質である転写因子RSGを認識するかを解析したところ、N末の非保存領域が重要であることが明らかになった。さらにRSGを基質としないAtCPK9のN末非保存領域をNtCDPK1のそれと置き換えるとRSGキナーゼの機能を獲得した(PLANT CELL, 2010) 。この知見はN末の非保存領域の改変より、キナーゼの基質特異性を操作することが可能であり、さらに新たな信号伝達経路創出の可能性を示唆している。
chimera.gif(28717 byte)
N末の非保存領域の改変よるキナーゼの基質特異性の操作.



NtCDPK1はRSGだけでなく14-3-3とも結合し、三者複合体を形成することが示された。三者複合体を形成させた状態でリン酸化反応を行うと、RSGと14-3-3はNtCDPK1から解離し、解離したRSGには14-3-3が結合していることが示された。 リン酸化されたRSGはリン酸化されていないRSGに比べてNtCDPK1に結合しにくいこと、また14-3-3は自己リン酸化されたNtCDPK1よりもリン酸化されたRSGとの親和性が高いことが示された。 したがって、RSGはリン酸化されるとNtCDPK1から解離し、そのとき14-3-3はNtCDPK1からより親和性の高いRSGに受け渡されると考えられた。 これらの結果から、NtCDPK1はRSGキナーゼの活性を持つだけでなく、14-3-3とRSGの結合を促進するスキャフォールドとしても機能すると考えられた(PLANT PHYSIOL, 2014)
colocalization.jpg(87856 byte)
RSG, NtCDPK1, 14-3-3 は細胞内で三者複合体を形成している。共焦点レーザー顕微鏡による観察。



title_3.jpg(71650 byte)
GA信号伝達のスイッチであるDELLAタンパク質は、GA信号伝達の負の制御因子として同定された。GA刺激を受けるとDELLAが分解され、細胞がGAに応答する。これまでGAによる転写制御は、DELLAの分解により転写活性化因子の抑制が解除されるモデルで説明されてきた。 しかしこのモデルではGA生合成酵素遺伝子のフィードバック制御の分子機構を説明出来なかった。我々はDELLAと相互作用する新しい転写因子GAF1を同定した。DELLAはGAF1のコアクティベーターとして転写を促進することを見出した。 さらにGAF1-DELLA転写活性化複合体はGA刺激を受けるとGAF1-TPR転写抑制複合体に機能転換することを明らかにした(PLANT CELL, 2014)。これらの結果は従来のGAによる転写制御モデルの問題を解決するものである。 すなわちDELLAはタイトレーションとコアクティベーションの二つの機能でGAに関連した二つの遺伝子群の一方をOFFに、他方をONに、同時に統括制御しているのである。本研究はRIKEN RESEARCH で紹介された。



GAFox2.jpg(54512 byte) r2GAF.jpg(146907 byte)
GAF1過剰発現体の形態(左図)。GAF1による転写制御モデル(右図)。



j0222322.jpg(2970 byte) 最近の原著論文

Ito, T., Ishida, S. and Takahashi, Y. (2018) Autophosphorylation of Ser-6 via an intermolecular mechanism is important for the rapid reduction of NtCDPK1 kinase activity for substrate RSG. PLOS ONE, e0196357. Ref.gif(293 byte)

Okada, K., Ito, T., Fukazawa, J. and Takahashi, Y. (2017) Gibberellin induces an increase in cytosolic Ca2+ via a DELLA-independent signaling pathway. Plant Physiol. 175, 1536-1542.Ref.gif(293 byte)

Fukazawa, J., Mori, M., Watanabe, S., Miyamoto, C., Ito, T. and Takahashi, Y. (2017) DELLA-GAF1 complex is a main component in gibberellin feedback regulation of GA 20-oxidase 2. Plant Physiol. 175, 1395-1406. Ref.gif(293 byte)

Ito, T., Ishida, S., Oe, S., Fukazawa, J. and Takahashi, Y. (2017) Autophosphorylation affects substrate-binding affinity of tobacco Ca2+-dependent protein kinase1. Plant Physiol. 174, 2457-2468.Ref.gif(293 byte)

Fukazawa, J., Ito, T., Kamiya, Y., Yamaguchi, S. and Takahashi, Y. (2015) Binding of GID1 to DELLAs promotes dissociation of GAF1 from DELLA in GA dependent manner. Plant Signal Behav. 10, e1052923. Ref.gif(293 byte)

Ito, T., Nakata, M., Fukazawa, J., Ishida, S. and Takahashi, Y. (2014) Phosphorylation-independent binding of 14-3-3 to NtCDPK1 by a new mode. Plant Signal Behav. 9, e977721. Ref.gif(293 byte)

Fukazawa, J., Teramura, H., Murakoshi, S., Nasuno, K., Nishida, N., Ito, T., Yoshida, M., Kamiya, Y., Yamaguchi, S., and Takahashi, Y. (2014) DELLAs function as coactivators of GAI ASSOCIATED FACTOR1 in regulation of GA homeostasis and signaling in Arabidopsis. Plant Cell 26, 2920-2938. Ref.gif(293 byte)

Ito, T., Nakata, M., Fukazawa, J., Ishida, S. and Takahashi, Y. (2014) Scaffold function of Ca2+-dependent protein kinase: NtCDPK1 transfers 14-3-3 to the substrate RSG after phosphorylation. Plant Physiol. 165, 1737-1750. Ref.gif(293 byte)

Ito, T., Nakata, M., Fukazawa, J., Ishida, S. and Takahashi, Y. (2010) Alteration of substrate specificity: The variable N-terminal domain of Ca2+-dependent protein kinase is important for the substrate recognition. Plant Cell 22, 1592-1604. Ref.gif(293 byte)

Fukazawa, J., Nakata, M., Ito, T., Yamaguchi, S. and Takahashi, Y. (2010) The transcription factor RSG regulates negative feedback of NtGA20ox1 encoding GA 20-oxidase. Plant J. 62, 1035-1045. Ref.gif(293 byte)

Ishida, S., Yuasa, T., Nakata, M. and Takahashi, Y. (2008) A tobacco calcium-dependent protein kinase, CDPK1, regulates the transcription factor REPRESSION OF SHOOT GROWTH in response to gibberellins. Plant Cell 20, 3273-3288.Ref.gif(293 byte)

Nagae, M., Nakata, M. and Takahashi, Y. (2008) Identification of negative cis-acting elements in response to copper in the chloroplastic iron superoxide dismutase gene of the moss Barbula unguiculata. Plant Physiol. 146, 1687-1692. Ref.gif(293 byte)


Matsushita, A., Furumoto, T., Ishida, S. and Takahashi. Y. (2007) AGF1, an AT-Hook protein, is necessary for the negative feedback of AtGA3ox1 encoding GA 3-oxidase. Plant Physiol. 143, 1152-1162. Ref.gif(293 byte)


Ishida, S., Fukazawa, J., Yuasa, T. and Takahashi, Y. (2004) Involvement of 14-3-3 signaling protein binding in the functional regulation of transcriptional activator RSG by gibberellins. Plant Cell 16, 2641-2651. Ref.gif(293 byte)

Takahashi Y., Fukazawa, J., Matushita A. and Ishida, S. (2003) Involvement of RSG and 14-3-3 proteins in the transcriptional regulation of a GA biosynthetic gene. J. Plant Growth Regul. 22, 195-204. Ref.gif(293 byte)

Igarashi, D., Ishida, S., Fukazawa, J. and Takahashi, Y. (2001) 14-3-3 proteins regulate intracellular localization of the bZIP transcriptional activator RSG. Plant Cell 13, 2483-2497. Ref.gif(293 byte)

Fukazawa, J., Sakai, T., Ishida, S., Yamaguchi, I., Kamiya, Y. and Takahashi, Y. (2000) REPRESSION OF SHOOT GROWTH, a bZIP transcriptional activator, regulates cell elongation through the level of gibberellins. Plant Cell 12, 901-915. Ref.gif(293 byte)

j0417890.jpg(3763 byte) 総説
Ito, T., Okada, K., Fukazawa, J. and Takahashi, Y. (2018) New gibberellin signaling pathway via Ca2+ signaling. Atlas of Science Ref.gif(293 byte)

Ito, T., Okada, K., Fukazawa, J. and Takahashi, Y. (2018) DELLA-dependent and -independent gibberellin signaling. Plant Signal Behav. 13, e1445933. Ref.gif(293 byte)

Ito, T. and Takahashi, Y. (2015) Phosphatase protection assay: 14-3-3 binding protects the phosphate group of RSG from λ protein phosphatase. Bio-Protocol 5, e1395. Ref.gif(293 byte)

Ito, T., Nakata, M., Ishida, S. and Takahashi, Y. (2011) The mechanism of substrate recognition of Ca2+-dependent protein kinases. Plant Signal Behav. 6, 924 - 926. Ref.gif(293 byte)

Takahashi, Y. and Ito, T. (2011) Structure and function of CDPK: A sensor responder of calcium. In Coding and Decoding Calcium Signals in Plants S. Luan, ed., Signaling and Communication in Plants 10, 129-146, Berlin: Springer-Verlag. DOI: 10.1007/978-3-642-20829-4_9. Ref.gif(293 byte)

Fukazawa, J., Nakata, M., Ito, T., Matushita, A., Yamaguchi, S. and Takahashi, Y. (2011) bZIP transcription factor RSG controls the feedback regulation of NtGA20ox1 via intracellular localization and epigenetic mechanism. Plant Signal Behav. 6, 26-28. Ref.gif(293 byte)

渡邊哲史,石田さらみ,高橋陽介 (2010) ジベレリン応答における遺伝子発現制御 植物におけるシグナル伝達−分子と応答− 共立出版 Ref.gif(293 byte) 

Nakata, M., Yuasa, T., Takahashi, Y. and Ishida, S. (2009) CDPK1, a calcium-dependent protein kinase, regulates transcriptional activator RSG in response to gibberellins. Plant Signal Behav. 4, 372-374. Ref.gif(293 byte)

石田さらみ,高橋陽介 (2005) ジベレリンによる転写調節因子の機能制御 生物物理 45, 264-267. Ref.gif(293 byte)

石田さらみ、高橋陽介 (2002) 茎の形成、植物の形づくり 蛋白質核酸酵素 47, 1581-1586 共立出版 


高橋陽介 (2001) 植物ホルモン応答にかかわる転写因子(オーキシン,サイトカイニン,ブラシノステロイド) 植物ゲノム機能のダイナミズム 岩渕雅樹,篠崎一雄 編 シュプリンガー・フェアラーク東京 123-134. Ref.gif(293 byte)


j0410627.jpg(3672 byte) 教科書
桜井英博,柴岡弘郎, 高橋陽介, 小関良宏, 藤田知道 (2017) 植物生理学概論改訂版 培風館,東京 Ref.gif(293 byte)

桜井英博,柴岡弘郎,芦原坦,高橋陽介 (2008) 植物生理学概論 培風館,東京 Ref.gif(293 byte)

桜井英博,柴岡弘郎,芦原坦,高橋陽介 (2001) 植物生理学入門三訂版 培風館,東京 Ref.gif(293 byte)



j0437619.jpg(3869 byte) 翻訳
Taiz and Zeiger Plant Physiology 3rd ed. ジベレリン−植物の背丈の制御−高橋陽介(2004)培風館,東京 Ref.gif(293 byte)













(高橋 への連絡先E-mail:ytakahas@*) @*以下はhiroshima-u.ac.jp