Research Results 研究成果
植物が幹細胞を永続的に維持できる新しいしくみ
〜転写因子ファミリー内の競合関係〜 2021.06.01研究成果Physics & Chemistry
神戸大学大学院理学研究科の古谷朋之学術研究員、近藤侑貴准教授らと、九州大学の佐竹暁子教授、東京大学大学院農学生命科学研究科の田之倉優特任教授、宮川拓也特任准教授らと同附属生態調和農学機構の矢守航准教授らの共同研究グループは、葉の細胞から維管束細胞を作り出す培養系“VISUAL"を基盤とした情報生物学的解析から維管束の発生過程に特徴的な遺伝子発現ネットワークの構築に成功し、その中から維管束幹細胞の制御に関わる因子としてBES/BZR転写因子・BEH3を新たに見出しました。さらにBEH3が同じBES/BZR転写因子ファミリーの他のメンバーと競合的にはたらくことで幹細胞の増殖と分化の制御を安定化させるという新たな幹細胞維持のしくみを明らかにしました。
今後さらに幹細胞制御因子を見つけていくことで、植物の幹細胞が長きにわたって維持される分子基盤の理解につながることが期待されます。
この研究成果は、６月１日に、米国の植物科学専門誌「The Plant Cell」に掲載されました。
ポイント
- 多数の大規模遺伝子発現データから維管束幹細胞に特徴的な394遺伝子を抽出し、その中から新規の幹細胞制御因子としてBES/BZR転写因子ファミリーに属するBEH3を発見しました。
- BEH3は他のBES/BZR転写因子とは異なりほとんど活性を持たず、他のBES/BZR転写因子の働きを競合的に阻害することが分かりました。
- このBES/BZR転写因子内の競合的な関係が維管束幹細胞の増殖と分化のバランスの制御に貢献していることが示され、維管束幹細胞維持の新たな制御機構を明らかにしました。
研究の背景
生物のかたちづくりは、幹細胞が自己増殖するとともに、器官や組織を構築する特有の機能を持った細胞へと分化することで実現しています。植物は動物とは異なり、生涯にわたって幹細胞を維持することで発生・成長し続ける性質を持っています。例えば、縄文杉などは樹齢2000年を超す長寿樹木であり、毎年年輪を刻みながら肥大成長をおこなっています。この肥大成長においては、形成層と呼ばれる分裂組織に存在する維管束幹細胞が増殖し、道管を含む木部細胞※４と篩管を含む篩部細胞※５へと分化することで植物体を太く成長させます。つまり、生涯にわたって成長し続けるためには維管束幹細胞を永続的に維持する必要があり、幹細胞の増殖と分化とのバランスを保つことが重要になります。近年、モデル植物シロイヌナズナを用いた遺伝学、分子生物学、情報学的研究から維管束幹細胞の増殖や分化の制御に関わる研究は進んできていますが、それらを適切なバランスで安定化させ幹細胞を維持するしくみはわかっていませんでした。
研究の内容
近藤准教授らの研究グループでは、維管束幹細胞が木部細胞や篩部細胞へと分化する過程（図１）を詳細に解析するために、葉の細胞から維管束の細胞を人工的に生み出す組織培養系“VISUAL”を開発し研究を進めてきました。このVISUALでは、特定の遺伝子機能が失われた植物（変異体）を使った遺伝学的解析が簡単にできる点や、維管束細胞の分化を時間経過に沿って観察できる点など維管束幹細胞を研究するうえで多くの利点があります。本研究では、様々な変異体や色々なタイムポイントでの遺伝子の発現を大規模に解析したデータを組み合わせ、発現様式の類似度によって遺伝子間の関係性を評価するネットワーク解析を行ないました。それにより、木部細胞、篩部細胞、さらに維管束幹細胞に特徴的な遺伝子群に分類することに成功しました（図１）。これまでに本研究グループでは、VISUALを用いてBES/BZR転写因子に属するBES1やBZR1が維管束細胞の分化において重要なはたらきを持つことを明らかにしてきました。今回、ネットワーク解析から別のBES/BZR転写因子であるBEH3が新たに維管束幹細胞遺伝子群の中に見出されたため、維管束幹細胞制御におけるBEH3の機能について更なる解析を進めました。
次にBEH3の機能が失われた変異体を使って維管束の構造を調べたところ、野生型（変異を持たないもの）と比べて個体間の維管束サイズのばらつきが大きくなることがわかり、BEH3が維管束幹細胞の機能を安定化させていることが考えられました。また、これまでに維管束分化を促進するBES1のはたらきを強くすると維管束幹細胞の数が減ることが知られていましたが、それとは逆にBEH3のはたらきを強くすると維管束幹細胞が増えるという逆の効果を示しました。更に研究を進めていくと、BEH3がBES1や他のBES/BZR転写因子と同じDNAモチーフ（BRREモチーフ）に結合できる一方で、BEH3は他のBES/BZR転写因子より下流遺伝子の発現を抑制する機能が著しく弱いことがわかりました。その結果として、BEH3は他のBES/BZR転写因子のはたらきを妨げる効果を持つことが示されました（図２）。この関係性の結果として、BEH3は維管束幹細胞に対してBES1を含む他のBES/BZR転写因子と反対の作用をもたらすと考えられました。このBEH3と他のBES/BZR転写因子の間の競合的な関係性を数理モデルを用いて検証・シミュレーションをしてみると、維管束幹細胞におけるBEH3の存在が維管束のサイズの安定化につながることをサポートする結果が得られました（図３）。
図１ 維管束遺伝子発現ネットワークの構築概要。（紫）木部細胞、（緑）篩部細胞、（青）維管束幹細胞（A）植物の肥大成長における維管束発生の概略図（B）維管束細胞分化誘導系VISUALの概略図。（C）構築された維管束遺伝子発現ネットワーク。各点は遺伝子を表し、線は強い相関関係を示している。
図２ BEH3と他のBES/BZR転写因子との競合関係のモデル図。BEH3と他のBES/BZR転写因子（ここではBES1として表記）とがともにBRREと呼ばれるDNAモチーフに競合的に結合することで、下流遺伝子の発現を制御する。
図３ 本研究から考えられる維管束幹細胞制御のモデル図。BES/BZR転写因子ファミリー間の競合関係は維管束幹細胞の増殖と分化のバランスを安定化させ幹細胞の永続的な維持に貢献する。
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論文情報
タイトル：
著者名：
Tomoyuki Furuya, Masato Saito, Haruka Uchimura, Akiko Satake, Shohei Nosaki, Takuya Miyakawa, Shunji Shimadzu, Wataru Yamori, Masaru Tanokura, Hiroo Fukuda, Yuki Kondo※(※Corresponding author)
掲載誌：
The Plant Cell