植物特異的な細胞分裂様式の分子的解明
Molecular understanding of plant-specific cell division patterns
国立遺伝学研究所
派遣期間
研究機関

研究指導者

佐々木 武馬
2019 年 6 月 3 日～2020 年 1 月 4 日
Center for Plant Molecular Biology–ZMBP, Developmental Genetics,
University of Tübingen,
Auf der Morgenstelle 32-72076, Tübingen, Germany
Group leader Sabine Müller

The cell division of plant is greatly different from that of animal. Whereas animal cells divide by invaginationfrom the cell membrane, plant cells divide by forming a cell plate at the dividing plane. A plant-specific microtubule
structure, phragmoplast, works to properly form the cell plate at the division plane.
I showed that CORD4 and CORD5, plant-specific microtubule associated proteins, tether the microtubule
severing protein katanin to facilitate formation of the short-microtubule array in phragmoplasts. I observed CORD4
localization on phragmoplast using a custom-made two-photon spinning disk confocal microscopy (CSU-MP). CSU-MP
revealed that CORD4 rapidly localized to microtubules of the distal phragmoplast zone during phragmoplast assemblyat late anaphase and persisted throughout phragmoplast expansion. Loss of CORD4 and CORD5 caused abnormallylong and oblique phragmoplast microtubules and slow expansion of phragmoplasts. The p60 katanin subunit, KTN1,localized to the distal phragmoplast zone in a CORD4-dependent manner. These results suggest that CORD4 andCORD5 tether KTN1 at phragmoplasts to modulate microtubule length, thereby accelerating phragmoplast growth. Thisreveals the presence of a distinct machinery to accelerate cytokinesis by regulating the action of katanin.
研究目的

実施した。

植物細胞の分裂様式は動物細胞と大きく異なる。
植物細胞の分裂に特徴的な点は、細胞板の形成である。細胞板は細胞分裂面中心部から作られ、外側に広がっていき最終的には細胞質を二分する。細胞の外部からくびれ分裂する動物細胞とは根本的に分裂様式が異なる（Figure1）。しかしながら、この植物細胞の特徴的な分裂様式の分子的解明はほとんど進んでいない。
陸上植物における細胞板の形成にはフラグモプラストと呼ばれる微小管構造が中心的な役割を果たす。
フラグモプラストは分裂細胞面に細胞壁成分を運搬し、細胞板の形成を促す（Figure2）。このフラグモプラスト形成の分子的解析が進んでいない点が、植物特異的細胞分裂の理解を遅らせている。本研究では、植物特異的な分裂様式の分子的解明を目的とし、Figure1 Dividing cell of plant and animal

主にフラグモプラストの形成機構に着目した研究を

The plant cell is divided by formation of cell plate.

CORD の分裂細胞内における機能を探るために、
CORD3、CORD4、CORD5 の細胞内局在を調査した。
結果、CORD4 と CORD5 がフラグモプラスト上に局在していることが明らかとなった。以降、CORD4、CORD5 がフラグモプラスト形成にかかわると予測し、これら二つの CORD に絞り解析を進めた。
Figure2 Structure of phragmoplasts

CORD4 および CORD5 の詳細な局在を調べるため

Phragmoplasts formed by short microtubules play as theに二光子スピニングディスク共焦点顕微鏡を用いた

rail for cell plate component delivery to cell dividing

観察を実施した。この顕微鏡では CORD のフラグモ

plane.

プラスト局在を３次元にタイプラプス観察を含めた
４ 次 元 で 観 察 で き る 。 この ４ 次 元 観 察 に よ り 、

研究経過
フラグモプラストは細胞板形成に働くが、その詳しい機構には未解明な部分が多い。例えばフラグモ

CORD4 はフラグモプラストの外縁部にフラグモプラスト形成直後から形成中を通し絶えず局在することが明らかになった。

プラストは並行にならんだ多数の短い微小管によって形成されるが、その微小管の配向や長さの調節機構についてはまったくわかっていない。
動物細胞・植物細胞関わらず、一般的に微小管の構造は種々の微小管付随タンパク質が制御する。フ

■CORD 機能欠損変異体の解析
細胞分裂における CORD の機能を探るため、
CORD4 および CORD5 の機能欠損変異体を作成した。

ラグモプラスト微小管の形成でも同様に微小管付随

その結果、CORD4、CORD5 の二重変異体では野生タンパク質がその構造形成に関わっていると考えら型と比較しフラグモプラストを形成する微小管が長れる。そこで、はじめにフラグモプラスト形成にかいことが明らかになった。またフラグモプラストはかわる微小管付随タンパク質の解析を進めた。

細胞分裂面上を、細胞板を形成しながら拡大していなかでも本研究で着目している微小管付随タンパク質が、我々が 2017 年に同定した植物特異的微小管付随タンパク質ファミリー、CORD である（Sasaki etal., 2017）。CORD はこれまでにまったく解析されてる。CORD 変異体においてはこの拡大速度が低下していた。この結果は CORD がフラグモプラスト微小管の長さを適切に制御することにより細胞板の形成こなかったタンパク質であり、既知のドメインも持を助け、細胞分裂を効率よく進行させていることをっていない。CORD はフラグモプラストと同様に植示唆している。

物の陸上進出前後に獲得され、さらに CORD ファミリーの中には分裂細胞で特異的に発現するメンバーが存在する。そこで、まず植物細胞で特異的に発現する CORD に着目した研究を進めた。
■CORD の発現・局在解析
モデル植物であるシロイヌナズナは CORD 遺伝子を７つもつが、その発現パターンは異なる。研究の第一段階として、これら７つの CORD 遺伝子の発現パターンをシロイヌナズナの各組織のトランスクリプトームデータを参照して調べた。結果、CORD3、CORD4、CORD5 が分裂組織において特異的に発現していることが分かった。そこで分裂細胞における植物特異的微小管構造の制御に、CORD3、CORD4、CORD5 が機能していると予測して研究を進めた。

■CORD のフラグモプラスト形成に関する機能について続いて CORD によるフラグモプラスト微小管の長さを制御する分子的機能に着目した解析を進めた。
植物の微小管はカタニンと呼ばれる微小管切断タンパク質により長さが調整される。さらにカタニンはフラグモプラスト微小管の制御にも関わっていることが報告されており、カタニンの変異体だと CORD
変 異 体 と 同 様 に フ ラ グ モプ ラ ス ト が 異 形 に な る（Panteris et al., 2011 and Komis et al., 2017）。そこでこのカタニンと CORD の関係を、分裂細胞のフラグモプラスト上において解析した。野生型でカタニンの局在を観察したところ CORD と同様にフラグモプラスト外縁部に局在することが観察された。一方CORD 機能欠損変異体を観察したところ、カタニン

分裂戦略の変化および、その戦略における CORD ののフラグモプラスト外縁部の局在は観察されなかっ役割を示すことが期待される。

た。さらに CORD 変異体とカタニン変異体のフラグモプラストを比較したところ、野生株と比較してど考察ちらのフラグモプラストも同程度微小管がながく、本研究ではフラグモプラスト微小管の長さを調節拡大速度が低下していた。この結果は CORD 変異体する機構を明らかとした。植物特異的な微小管付随の表現型はカタニンの機能欠損が原因であることをタンパク質である CORD4 および CORD5 は微小管切示唆している。また CORD 変異体でカタニンのフラ断タンパク質カタニンをフラグモプラストの外縁にグモプラスト局在が欠損することを踏まえると、係留することで、フラグモプラスト微小管の長さをCORD はカタニンをフラグモプラストの外縁部に係調節する。これまでわからなかったフラグモプラス留することで、フラグモプラスト微小管の長さを制ト形成機構の一端が本研究により解明された。細胞分裂面におけるフラグモプラストの拡大は、フラグモプラスト微小管の新生により行われる。このためフラグモプラストを形成する微小管が長すぎると、新生される微小管の形成速度もその分遅くなる。
CORD によるカタニンを介したフラグモプラスト微小管の長さの調節は、フラグモプラスト微小管の新生速度を最適化し、フラグモプラストの拡大を最小御していると考えられる（Figure3）。

限の時間で行うことに役立つと推測される。
これまでの研究ではフラグモプラスト形成におけFugire3 CORD function on phragmoplast formation

る知見は観察的事象にとどまっていた。本研究はフCORD tethers katanin to distal zone of phragmoplast

ラグモプラスト微小管の構造調節機構を具体的に示

microtubules, and supports phragmoplast formation byすことに成功した。今後はこのフラグモプラストのmanipulation of microtubule length.

植物細胞における一般性を他の植物や進化的視点を交え明らかにしていきたい。

■CORD 機能の進化的保存性
ゼニゴケは最も原始的な陸上植物の一つである。

参考文献

CORD 遺伝子は陸上植物から保存されており、それ

1, Sasaki, T., Fukuda, H., and Oda, Y. (2017).

以前の植物では確認されない。CORD の機能の進化

CORTICALMICROTUBULEDISORDERING1

is的保存性を調べるために、ゼニゴケ CORD の機能解

requiredsecondaryin

析を行った。まず局在を調べたところ、シロイヌナ

xylemvessels. Plant Cell 29, 3123–3139.

ズナの場合と同様に分裂細胞の微小管上において局2, Panteris, E., Adamakis, I.D., Voulgari, G., and在が観察された。さらに、ゼニゴケにおいて CORD

Papadopoulou, G. (2011). Arole for katanin in plant cell

遺伝子の機能欠損変異体を作成したところ生育阻害

division: microtubule organization in dividingroot cellsが確認された。この変異体では、シロイヌナズナのofケースと同様に分裂細胞の微小管構造が変化していCytoskeleton (Hoboken) 68, 401–413.

た。

3, Komis, G., Luptovciak, I., Ovecka, M., Samakovli, D.,

fra2

forandcell

lue1Arabidopsis

wall

patterningthaliana

mutants.

この結果は、CORD がゼニゴケの分裂細胞においSamajova ́, O., and Samaj, J. (2017). Katanin effects onても微小管構造を制御することで、細胞分裂を促進

dynamics of cortical microtubulesand mitotic arraysする働きを担っていることを示唆している。今後は、inArabidopsis

ゼニゴケ CORD 変異体におけるフラグモプラストとlive-cellimaging. Front. Plant Sci. 8, 866.

シロイヌナズナ CORD 変異体のフラグモプラストを比較して、CORD 機能の進化的保存性について明らかにする予定である。本研究は植物の陸上進出時のthalianarevealed

byadvanced

研究の発表佐々木武馬, 堤元佐, 大友康平, 村田隆, 中村匡

口頭発表良, 根本知己, 長谷部光泰, 小田祥久

1.

1aF02 微小管付随タンパク質 CORD により制御されるフラグモプラストの動態

9 15, 2019 (公社) 日本植物学会