GAシグナル伝達とDELLAタンパク質

このように非常に重要な植物ホルモンであるGAがどのように受容され，シグナルが伝達されるのかについて数多くの研究によってその詳細が明らかにされつつある．その中で最も重要な因子の一つと考えられているのがDELLAタンパク質である．DELLAは今までに植物でのみ見いだされており，GRASファミリーに属する転写因子様タンパク質である．C末端側にGRASファミリーに共通のGRASドメインを，N末端側にDELLAタンパク質に特徴的なDELLAモチーフとTVHYNPモチーフをもつ．このDELLAの主な機能はGA応答の抑制である．細胞内でGAはまず核内受容体であるGID1に受容される．GA-GID1複合体は核内でDELLA/TVHYNPモチーフを介してDELLAタンパク質と結合し，SCF複合体によるDELLAのユビキチン化を誘導，最終的に26Sプロテアソームによって分解される．このような機構でGA依存的にDELLAが分解されることでさまざまなGAの生理作用が発揮されると考えられている（図1図1■GA-GID1複合体によるDELLAの分解）．これまでの研究により，GID1をはじめとするDELLAの分解にかかわるいくつかの因子，およびその分解機構が明らかとなってきた．その一方で，DELLA自体がどのような分子メカニズムで機能を発揮しているのかについてはいまだ不明な点が多い．これまでの研究から，DELLAタンパク質がさまざまな遺伝子の転写を調節すること，明確なDNA結合モチーフをもたないことなどからDELLAの機能として主に2つの機能が提唱されている．本稿では，その2つの機能について具体的な知見を踏まえ紹介する．特に最近になって多くの知見が得られた転写活性化因子としての機能について筆者らの研究も含め解説する．

図1■GA-GID1複合体によるDELLAの分解

GAは細胞核内で受容体であるGID1に受容される．GA-GID1複合体はDELLAタンパク質と結合し，SCF複合体によるユビキチン化を誘導した結果，DELLAのGA依存的な分解を導く．

DELLAは転写因子と結合し，そのDNA結合能を阻害する

2008年，de LucasらおよびFengらは植物の胚軸伸長を促進する転写因子であるPIFタンパク質がDELLAと直接結合すること，その結果PIFのDNA結合能が失われること，そしてPIFの過剰発現はDELLAの蓄積による矮化を回復させることを見いだした^{(3, 4)}3) M. de Lucas, J. M. Davière, M. Rodríguez-Falcón, M. Pontin, J. M. Iglesias-Pedraz, S. Lorrain, C. Fankhauser, M. A. Blázquez, E. Titarenko & S. Prat: Nature, 451, 480 (2008).4) S. Feng, C. Martinez, G. Gusmaroli, Y. Wang, J. Zhou, F. Wang, L. Chen, L. Yu, J. M. Iglesias-Pedraz, S. Kircher et al.: Nature, 451, 475 (2008).．これらの結果から，DELLAはPIFと直接結合することで，PIFとその下流遺伝子のプロモーター領域の結合を阻害し，胚軸伸長を抑制するという機能があることを証明した．これ以降も複数のファミリーに属する数多くの転写因子がそのDNA結合が阻害される形でDELLAおよびGAの制御を受けた結果，さまざまなGAの生理作用を引き起こすことが見いだされている．その主なものが表1表1■DELLAが結合することでその作用が阻害される主な転写因子にまとめてある．

この中で特殊なものとしてJAZおよびMYC2との関係がある．両者とも植物ホルモンの一つであるジャスモン酸のシグナル伝達上で機能する因子で，MYC2は転写因子としてジャスモン酸シグナル伝達を促進する．一方で，JAZがMYC2に結合するとMYC2との活性が阻害され，シグナル伝達は抑制される．現在，DELLAはJAZともMYC2とも複合体を形成することが報告されており，JAZと結合した場合はJAZ–MYC2結合を阻害し，MYC2の活性を促進すること，逆にMYC2と結合した場合はPIF等と同様MYC2とDNAの結合を阻害することが報告されている⁽⁵⁾5) X. Hou, L. Ding & H. Yu: Plant Cell Rep., 32, 1067 (2013).．DELLAがJAZとMYC2のどちらと結合するかは組織や環境要因によって変動すると考えられている^{(5, 6)}5) X. Hou, L. Ding & H. Yu: Plant Cell Rep., 32, 1067 (2013).6) G. J. Hong, X. Y. Xue, Y. B. Mao, L. J. Wang & X. Y. Chen: Plant Cell, 24, 2635 (2012).．これらのことを踏まえ，筆者はDELLAが組織やタイミングごとに特定のタンパク質と結合していることがGAのさまざまな生理作用を生み出す一つの大きな機構であると考えており，DELLAの下流遺伝子を調べたトランスクリプトーム解析においても組織や生育のタイミングが違うものでは結果がほとんど一致しないことがわかっている⁽⁷⁾7) A. Locascio, M. A. Blázquez & D. Alabadí: Plant Cell Physiol., 54, 1229 (2013).．

DELLAは転写因子と結合し，DNAと結合して転写を活性化する

前述の知見に加え，DELLA自身が強い転写活性化能を有していることも明らかとなっており，転写活性化因子として機能することも示唆されていた．また，ZentellaらによってデキサメタゾンによるDELLA誘導系を用いたトランスクリプトーム解析とChIPアッセイが行われた結果，DELLAが直接転写を促進する遺伝子としてGAの合成酵素や受容体などのGAシグナル伝達を促進する因子が多く含まれていることがわかり，DELLAはその転写活性化能によってGAシグナル伝達のフィードバックを担っていることも予想されていた⁽⁸⁾8) R. Zentella, Z. L. Zhang, M. Park, S. G. Thomas, A. Endo, K. Murase, C. M. Fleet, Y. Jikumaru, E. Nambara, Y. Kamiya et al.: Plant Cell, 19, 3037 (2007).．

筆者らはモデル植物であるシロイヌナズナにおいて，このDELLAによるフィードバック作用を仲介する転写因子を同定することを目的とし，酵母2ハイブリッド法および1ハイブリッド法を組み合わせたスクリーニングを行った⁽⁹⁾9) H. Yoshida, K. Hirano, T. Sato, N. Mitsuda, N. Nomoto, K. Maeo, E. Kohketsu, R. Mitani, M. Kawamura, S. Ishiguro et al.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111, 7861 (2014).．その結果，C2H2型のzinc fingerをもつIDDファミリータンパク質に属するAtIDD3, 4, 5, 9, 10がDELLAと結合し，さらにDELLAのダイレクトターゲットの一つであり，GAシグナル伝達のポジティブレギュレーターでもあるSCL3遺伝子のプロモーターにも結合することを明らかにした．

いてシロイヌナズナ培養細胞由来のプロトプラストを用いてトランジェントレポーターアッセイを行ったところ，DELLAとIDDは相乗的にSCL3の発現を上昇させることが示された．さらに，IDDが植物体内でどのような機能をもっているのか調べるため，IDDに転写抑制ドメインであるSRDXを付加したキメラタンパク質を過剰発現させた形質転換シロイヌナズナを作出した．その植物体は矮性，花成の遅延などのGAシグナル伝達が抑制された表現形を示した．このことはIDD–SRDXタンパク質がDELLA–IDD複合体による下流遺伝子の発現促進を阻害した結果，正常なフィードバック作用が失われたことによると考えられた．GAによって転写が促進される遺伝子の発現がIDD–SRDXの過剰発現によって低下していたこともこの考察を支持している．

以上のことより，DELLAがIDDを介してDNAと結合して転写活性化能を発揮すること，そして下流遺伝子の発現を促進することによってGAシグナル伝達のフィードバック作用を担っていることがわかった．

IDDファミリーは最初，トウモロコシにおいて花成の誘導を制御する転写因子として見いだされた．このファミリーは高等植物において広く保存されているファミリーであり，花成誘導以外にもオーキシンシグナルや重力屈性などさまざまな発達過程にかかわっていることが知られている^(10～12)10) J. Colasanti, Z. Yuan & V. Sundaresan: Cell, 93, 593 (1998).12) D. Cui, J. Zhao, Y. Jing, M. Fan, J. Liu, Z. Wang, W. Xin & Y. Hu: PLoS Genet., 9, e1003759 (2013).．今回筆者らが見いだしたGAのフィードバックにかかわるという機能はIDDの多様な機能のうちの一つであろうと思われる．

筆者らの報告に前後していくつかのほかのグループによってもDELLAがほかの転写因子を介してDNAと結合して転写を調節することを示す研究結果が報告されており（表2表2■DELLAとDNAの結合を仲介する転写因子），DELLAは転写因子の働きを阻害する作用のみならず，co-activatorとして働く作用ももっていることを裏づけている．

Co-regulator exchange system

筆者らはDELLAのターゲット遺伝子の一つであるSCL3に着目してさらに研究を進めた．以前の研究によってSCL3タンパク質については，1）DELLAと同じGRASファミリーに属していること，2）DELLAと拮抗して働くGAシグナル伝達のポジティブレギュレーターであること，3）SCL3自身の転写を抑制する転写抑制因子であることが明らかになっていた⁽¹³⁾13) Z. L. Zhang, M. Ogawa, C. M. Fleet, R. Zentella, J. Hu, J. O. Heo, J. Lim, Y. Kamiya, S. Yamaguchi & T. P. Sun: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108, 2160 (2011).．筆者らはこれらの知見から，SCL3タンパク質もIDDと結合するのではないか，そしてDELLAとSCL3はプロモーター上でIDDを取り合うように結合することで下流遺伝子の発現を調節しているのではないかと仮説を立てた．それを検証する目的でまずSCL3とIDDの結合を検証したところin vitroおよびin vivoでタンパク質–タンパク質相互作用があることが確かめられた．つづいて，酵母3ハイブリット法および共免疫沈降法によりDELLA, SCL3, IDDの関係を調べたところ，三者は一つの複合体を形成するのではなく，DELLA–IDDまたはSCL3–IDDのどちらか一方にしかならないことを見いだした．さらに転写調節においてはDELLA–IDD複合体の転写活性化能が，SCL3を共発現することによって抑制されることを明らかにした．

以上の実験によりDELLAはco-activatorとして，SCL3はco-repressorとしてそれぞれIDDを介してDNAと結合し，下流遺伝子の発現を制御するというco-regulator exchange systemによってGAシグナル伝達の恒常性が維持されていると考えられた（図2図2■Co-regulator exchange systemによるGAフィードバックの制御）．同様の研究が深澤らによってなされており，同じくIDDファミリーに属するAtIDD1およびGAF1/AtIDD2もDELLAとGA合成酵素および受容体のプロモーターの結合を仲介していること，またDELLAと拮抗してTOPLESS RELATEDタンパク質がco-repressorとして機能していることが明らかとなっている⁽¹⁴⁾14) J. Fukazawa, H. Teramura, S. Murakoshi, K. Nasuno, N. Nishida, T. Ito, M. Yoshida, Y. Kamiya, S. Yamaguchi & Y. Takahashi: Plant Cell, 26, 2920 (2014).．このシステムは動物および酵母では盛んに研究が行われている概念であるが^{(15, 16)}15) C. K. Glass & M. G. Rosenfeld: Genes Dev., 14, 121 (2000).16) M. G. Rosenfeld, V. V. Lunyak & C. K. Glass: Genes Dev., 20, 1405 (2006).，植物においてはこれまでほとんど報告がなかった．しかし，この制御システムは転写，翻訳を介して新たな転写調節因子を作り出すよりも早く下流遺伝子の発現を調節できるシステムであり，外界の環境に応じ，瞬時に体内環境を変化させるシステムとして優れていると考えられているため⁽¹⁶⁾16) M. G. Rosenfeld, V. V. Lunyak & C. K. Glass: Genes Dev., 20, 1405 (2006).，今後はこの概念を踏まえて研究がなされることで植物の多くのシグナル伝達上で同様のシステムの存在が明らかになると筆者らは考えている．

図2■Co-regulator exchange systemによるGAフィードバックの制御

DELLA–IDD複合体によりSCL3をはじめとしたGAシグナルのポジティブレギュレーターの発現が促進され，GAシグナル伝達のフィードバック作用が起こっている．その作用によってSCL3タンパク質が増加し，SCL3–IDD複合体が増え，SCL3自身の転写を抑制することでDELLAによるGAシグナルのフィードバックにさらにフィードバックが働いていると考えられる．

GAシグナルおよびDELLAタンパク質研究のこれから

これまでの研究によりGAシグナル伝達においてDELLAタンパク質がどの組織，どのタイミングで，どの転写因子と結合しているかがGAの多様な生理作用を説明できることが明らかになりつつある．そしてそのDELLAは主に転写因子と結合して機能を阻害する，あるいは結合した転写因子とともに複合体としてプロモーターに結合し，転写を促進するという2つの作用機序があることが示された．表1表1■DELLAが結合することでその作用が阻害される主な転写因子，表2表2■DELLAとDNAの結合を仲介する転写因子に掲げたDELLA結合転写因子の中にはPIFやEIN3, BZR1などこれまでほかのシグナル伝達上で重要な機能をもっていると考えられている因子が複数含まれており，GAシグナルとほかの転写因子のクロストークもDELLAが他の因子と結合するということが重要であると思われる．しかし，いまだすべてのGA応答を説明できたわけではなく，これ以降もDELLA結合転写因子の同定，解析は必要であろう．さらにはバラのDELLAがDNAと直接結合するという報告⁽¹⁷⁾17) J. Luo, N. Ma, H. Pei, J. Chen, J. Li & J. Gao: J. Exp. Bot., 64, 5075 (2013).や，微小管の配向を決めるシャペロンタンパク質と結合するという報告⁽¹⁸⁾18) A. Locascio, M. A. Blázquez & D. Alabadí: Curr. Biol., 23, 804 (2013).，またDELLAがRING FINGERタンパク質と結合することでco-repressorとして働くという報告⁽¹⁹⁾19) J. Park, K. T. Nguyen, E. Park, J. S. Jeon & G. Choi: Plant Cell, 25, 927 (2013).などこれまで解説してきたもの以外の機能も複数示唆されており，いまだDELLAの機能およびGAシグナルの全容解明にはほど遠いというのが現状の筆者の認識である．

DELLAの転写活性化の実態，すなわちヒストンの修飾などを変更するエピゲノム調節やメディエーター複合体などとDELLAの関係を追求することも，DELLAの機能を正しく理解するうえで重要であろうと思われる．最近クロマチンリモデリング複合体のサブユニットの1つであるATPase, SWI3CとDELLAが結合し，DELLAの転写活性化能に寄与しているという報告がなされている⁽²⁰⁾20) E. A. Sarnowska, A. T. Rolicka, E. Bucior, P. Cwiek, T. Tohge, A. R. Fernie, Y. Jikumaru, Y. Kamiya, R. Franzen, E. Schmelzer et al.: Plant Physiol., 163, 305 (2013).．タンパク質の結晶構造解析という方面からもGAシグナルの解明が試みられており，受容体であるGID1の結晶構造が得られている（詳細は本誌Vol. 49, No. 3を参照されたい）．今後DELLAタンパク質全体の構造が判明すれば，その機能についての理解も深まると思われる．GAシグナルについて数理モデルを立て，システムバイオロジーによる解析を行っている報告もあり^{(21, 22)}21) A. M. Middleton, S. Úbeda-Tomás, J. Griffiths, T. Holman, P. Hedden, S. G. Thomas, A. L. Phillips, M. J. Holdsworth, M. J. Bennett, J. R. King et al.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109, 7571 (2012).22) L. R. Band, S. Úbeda-Tomás, R. J. Dyson, A. M. Middleton, T. C. Hodgman, M. R. Owen, O. E. Jensen, M. J. Bennett & J. R. King: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109, 7577 (2012).，今後はこのような多種多様な戦略でGAシグナルの全容解明に向け多くの知見が集まることが期待される．一方で，これまでのDELLAの機能にかかわる研究はほぼすべてモデル植物であるシロイヌナズナで行われたものであり，ほかの植物ではDELLAと結合する転写因子の報告もほとんどない．今後はほかの植物種でもDELLAとその相互作用因子の研究が進むことで，より多くの重要な知見が得られることを期待している．