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葉緑体プロテアーゼによるオルガネラ恒常性と細胞内情報伝達の制御
西村 健司
関西学院大学理工学部生命科学科〒669-1337 兵庫県三田市学園 2-1

Chloroplast proteolysis - between organellar homeostasis and cellular signaling
Kenji Nishimura
Department of Bioscience, School of Science and Technology, Kwansei Gakuin University,
2-1 Gakuen, Sanda, Hyogo 669-1337, Japan
Keywords: chloroplast, homeostasis, peptide, protease, signaling
DOI: 10.24480/bsj-review.12a7.00200
１．はじめに
葉緑体は光合成だけでなく，色素合成やアミノ酸合成，脂肪酸合成など様々な代謝反応が行われるオルガネラである。こうした反応を触媒・制御するのは，延べ 3000 種類にも上る葉緑体タンパク質であるが，これらが種々の環境変化によって不要になった場合や高次構造の形
成・維持に異常が現れた場合は，速やかに分解・除去される必要がある。この機能を担うのが，これまでに 20 種類以上存在することが知られている葉緑体プロテアーゼである。特にAAA+ (ATPases associated with diverse cellular activities) ファミリーに属する Clp，
FtsH，
Lon は，
細菌から真核生物のオルガネラまで進化的に高度に保存され，ATP 依存的な基質の構造変化と共役したタンパク質分解活性を備えたプロセッシブプロテアーゼとして，葉緑体タンパク
質の量的制御と品質管理において中心的な役割を果たすと考えられている。本稿では，これ
ら葉緑体プロセッシブプロテアーゼの基本的な構成や特性について概説するとともに，オル
ガネラ恒常性における役割，そして近年注目されつつあるこれらプロテアーゼの細胞内シグナル伝達への関わりについて紹介したい。

２．葉緑体プロセッシブプロテアーゼ概論
プロセッシブプロテアーゼの基本構造は，AAA+型シャペロンドメインとプロテアーゼドメ
インからなる(Gottesman, 1996; Gottesman and Maurizi, 1992) (図 1A)。シャペロンドメインにおいて認識された基質は，ATP 依存的に高次構造が解かれながら，プロテアーゼドメイン上部の小孔から内腔へと取り込まれる。プロテアーゼ内腔には，複数の触媒部位が存在しており，
その空間位置に依存して基質配列内の複数箇所においてエンド型の切断反応が多発的に起こる (プロセッシブ分解)。その結果，多数のペプチド鎖へと断片化して分解される。生成されたペプチド断片は最終的にプロテアーゼチャンバーから外部に放出されるが，切断途中の基質タンパク質の放出は起きない。このようにプロセッシブプロテアーゼでは，触媒部位がプ
ロテアーゼ内部に隔離されることで分解反応が区画化し，不必要なタンパク質分解が抑えられる。それと同時にシャペロンドメインで基質選別を行うことで選択的なタンパク質分解がK. Nishimura - 1
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可能となっている。またプロセッシブ分解とは，プロテアーゼの内部に到達した基質配列から順次断片化が進行し，切断可能な箇所が全て切断されたのちペプチド断片の放出が行われることを指すことから (Thompson et al., 1994)，シャペロン機能は必ずしもこれに結びついているわけではない。実際，非常に短いペプチドの分解にはシャペロン機能は必要ない。また，
ある程度のサイズのタンパク質の分解については ATP の加水分解エネルギーが必須となるが，比較的短いポリペプチド鎖に関しては，ATP の結合のみで分解できる。

プロセッシブプロテアーゼの代表的なものとして，細菌と真核細胞のオルガネラに存在す
る Clp，FtsH，Lon，及び古細菌や真核生物の細胞質などに存在するプロテアソームが挙げられる。葉緑体には細菌を起源とする 3 つのタイプのプロセッシブプロテアーゼ，すなわち Clp，
FtsH，Lon が存在するが，その構成や特性は細菌がもつプロトタイプのプロセッシブプロテ
アーゼと比較して複雑・多様化している。

２－１．Clp
Clp は ATP 依存的なセリンプロテアーゼ活性を示す多量体構造として機能しており，シャペ
ロンドメインとプロテアーゼコアドメインが独立の複合体として存在する点において FtsH やLon とは異なる (図１B)。またバクテリア Clp のシャペロンとプロテアーゼコアが各々単一
サブユニットからなるホモ複合体であるのに対し，シアノバクテリアや葉緑体ではいずれもヘテロ複合体を形成している (Nishimura and van Wijk, 2015)。さらに葉緑体の場合は，コア構造の形成・維持あるいは基質認識制御を担う固有のサブユニットを獲得している。
葉緑体 Clp シャペロンは，ClpC1/ClpC2/ClpD の３つのサブユニットで構成されており，それぞれがホモ 6 量体として存在することが示唆されている (Nishimura and van Wijk, 2015)。これら 3 つのシャペロンサブユニットのうち ClpC1 のみ機能欠損によって生育遅延を引き起こすことから，同サブユニットが主要な構成成分と考えられる。Clp シャペロンはそれ自身で基質の認識が可能である。しかしその制御には進化的に保存されている ClpS1 及びこれと相互作用する葉緑体特異的な ClpF の 2 つのアダプタータンパク質からなるバイナリーモジュールが関与しており，ClpS1/F 複合体が基質を直接認識し，相互依存的に基質タンパク質を Clp

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シャペロンに供給することが示唆されている (Nishimura et al., 2013, 2015)。細菌の ClpS は単独で基質認識制御を行っているが，特にタンパク質の N 末端アミノ酸残基とそのタンパク質の安定性を関連付ける N-end rule 経路に関与することが知られている (Varshavsky, 2011)。Nend rule 経路において，タンパク質の不安定化を引き起こす N 末端アミノ酸残基を N-degronと呼ぶが，細菌の ClpS はこれを直接認識することができる。葉緑体においても類似した Nend rule 経路の存在が示唆されており (Bouchnak and van Wijk, 2019)，実際細菌 ClpS が認識する N-degron のいくつかは葉緑体 ClpS1 も認識することができる (Colombo et al., 2018;
Montandon et al., 2019)。ClpS/F の欠損変異体はいずれも野生型と同等の生育であることから，
両者およびこれらの関与が示唆される葉緑体 N-end rule 経路は植物の通常生育には必須ではないと考えられる (Nishimura et al., 2015)。
Clp プロテアーゼコアは，ClpP3/ClpP4/ClpP5/ClpP6 の 4 つのサブユニットが 1:2:3:1 の化学量論比で配位した P リングと，ClpP1/ClpR1/ClpR2/ClpR3/ClpR4 が 3:1:1:1:1 の比率で構成される R リングからなるヘテロ 14 量体を形成する (Olinares et al., 2011)。このうち ClpP1 は Clp
で唯一葉緑体ゲノムにコードされるサブユニットである (Shikanai et al., 2001)。各 ClpP/R サ
ブユニットの欠損変異体の表現型は，生育の遅延や停止，胚性致死など異なるが，サブユニ
ットの存在比と相関する (Nishimura and van Wijk, 2015)。ここで，ClpP サブユニットの配列上には，セリン－ヒスチジン－アスパラギン酸の 3 アミノ酸残基からなる活性部位があるのに対し，ClpR サブユニットはこの部位が欠失しているため触媒能がない。したがって，葉緑体
Clp のプロテアーゼコア内には都合 10 箇所の活性部位が存在している。2 つの非対称な P/R
リングの会合及び安定化には，植物特異的な 2 つのアクセサリータンパク質である ClpT1/T2が関わる (Clarke, 2012; Kim et al., 2015; Sjögren and Clarke, 2011)。すなわち，単量体 ClpT1 がP リングに結合して複合体を形成し，これが単量体 ClpT2 と結合することで R リングと結合でき，安定化すると考えられている。一方 Clp シャペロンは P リングではなく R リングに結合すると考えられる。シャペロンとプロテアーゼコアがどのように連結しているかは明らかではないが，ClpT サブユニットはシャペロンサブユニットとも結合できることが知られている (Colombo et al., 2014)。

２－２．FtsH
FtsH は ATP 依存性の亜鉛 (Zn) 配位型メタロプロテアーゼ複合体として機能し，N 末端側に膜貫通ドメインがあるのが特徴である。また細菌の FtsH が単一サブユニットで構成されている の に 対 し て ， 植 物 で は 遺 伝 子 重 複 に よ り 12 種 類 の ホ モ ロ グ が 存 在 し ， こ の う ち
FtsH1/2/5/6/7/8/9/11/12 の 9 種類が葉緑体，残り 3 種類がミトコンドリアにそれぞれ局在する(Sakamoto et al., 2003)。葉緑体 FtsH のうち，FtsH1/2/5/8 はチラコイド膜，FtsH7/9/11/12 は包膜に存在することが確認されているが，FtsH6 については不明である (Nishimura et al., 2017)。
チラコイド FtsH を構成する 4 つの FtsH サブユニットはその機能的互換性からタイプ A(FtsH1/5) とタイプ B (FtsH2/8) に分類され (Yu et al., 2004, 2005; Zaltsman et al., 2005)，それぞれ 2:4 の化学量論比でヘテロ 6 量体を形成する (Moldavski et al., 2012) (図１B)。これら FtsH
サブユニットの N 末端側にはチラコイド膜にアンカーするための一回膜貫通ドメインが存在
し，6 量体形成時にはタンデムに並んだシャペロンドメインとプロテアーゼドメインはスト

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ロマ側に配向している (Nishimura et al., 2017)。FtsH5 と FtsH2 の機能欠損変異体は，いずれも斑入り表現型を示すことからそれぞれ yellow variegated1/2 (var1/var2) とも呼ばれる (Kato and
Sakamoto, 2018)。一方 FtsH1 と FtsH8 の場合は野生株と同等の表現型を示すが，これはサブユ
ニットの存在量を反映しているとされる。遺伝学的解析から，var1 または var2 変異体の斑入り表現型を抑圧する変異体が多数単離された (Putarjunan et al., 2013)。その多くは葉緑体 Clp
サブユニットあるいは葉緑体コードの ClpP1 の発現に影響を与えうる変異体であったことから，Clp-FtsH の機能的関連性が示唆される。FtsH の安定性は，細菌から真核生物まで高度に保存される GTPase ファミリータンパク質の 1 つである EngA が制御している (Kato et al.,2018)。EngA は FtsH5/2 のシャペロンドメインを介して直接相互作用する。また EngA の遺伝
子欠損株は胚性致死であるのに対して，過剰発現体は FtsH 欠損変異体と同様に斑入り表現型を示し，かつ FtsH サブユニットの過剰蓄積と高分子量 FtsH 複合体の安定化が引き起こされる。EngA を介した機能不全 FtsH 複合体の分解制御モデルが提唱されている。また FtsH5/2 サ
ブユニットは複数のサイトでリン酸化制御を受けることが知られており，FtsH 複合体の形成や安定化に関わることが示唆されている (Kato and Sakamoto, 2019)。
包膜 FtsH11 は他の包膜 FtsH とは複合体を形成しないことからホモ複合体として存在することが示唆されている (Adam et al., 2019)。またストロマの CPN20 シャペロンと相互作用することから，内包膜上でストロマ側に配向すると考えられる。FtsH7 と FtsH9 は高い相同性を示すことから，同一のヘテロ複合体を形成すると予測されているが (Wagner et al., 2012)，詳
細は不明である。興味深いことに，FtsH12 は内包膜において，典型的な FtsH の活性部位が欠失した FtsHi1/2/4/5 タンパク質及びこれらと共通の進化的起源をもつ Ycf2 タンパク質，そして NAD 型リンゴ酸脱水素酵素からなる 2-MD のヘテロ複合体を形成し，内包膜の 1-MD 輸送装置である TIC 複合体と相互作用することで ATP 依存的な膜輸送モーターとして機能することが明らかとなった (Kikuchi et al., 2018)。FtsH12 の Zn 配位モチーフに点変異を導入することでメタロプロテアーゼ活性を消失させても膜輸送効率には影響しないことから，当該サブユニットが輸送基質の牽引に寄与していることが示唆される。他方もう一つの FtsHi ファミ
リータンパク質である FtsHi3 は，Ycf2/FtsHi 複合体や TIC 複合体とは独立して，内包膜上で1-MD の高分子複合体を形成して輸送基質と相互作用することから，膜輸送モーターとして機能すると考えられている。

２－３．LonLon は ATP 依存性のセリンプロテアーゼ複合体である (Pinti et al., 2016)。細菌から真核生物
オルガネラいずれにおいてもホモ多量体として存在し，6 量体構造をとる (図１B)。一般に
Lon タンパク質は 2 つのタイプに分類され，細菌及び真核生物のミトコンドリアと葉緑体がもつ LonA はシャペロンドメイン上流の N 末端に基質結合領域があるのに対し，古細菌のLonB はシャペロンドメイン内部に膜貫通領域があるのが特徴である (Rotanova et al., 2004)。
葉緑体には 2 種類の Lon (Lon1/4)が存在する (Rigas et al., 2014)。シアノバクテリアには全
長 Lon プロテアーゼに相当する遺伝子はなく，代わりに LonA の N 末端ドメイン配列だけからなるタンパク質がコードされている。この Lon の N 末端ドメインのみからなるタンパク質はシロイヌナズナゲノム上にも 4 種類存在し，そのうち少なくとも 3 種類は葉緑体局在であ

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る (van Wijk, 2015)。Lon1/4 については，いずれもミトコンドリアに共局在することから，太古の α プロテオバクテリアの Lon に由来すると考えられる。Lon1/4 の葉緑体内での正確な存在箇所は明らかではない。また葉緑体の Lon1 の機能欠損が生育遅延を引き起こすことは知られているが，Lon4 欠損の生理的影響については分かっていない (Daras et al., 2014)。

３．オルガネラの恒常性における役割
これまでの遺伝学的・生化学的解析などから，葉緑体プロテアーゼによるタンパク質の生合成，あるいは量的制御や品質管理に関する様々な分子メカニズムが報告されている (図 2)。
これらは複数のプロテアーゼにより段階的または協調的に行われるものや，環境因子や補助因子などを介したものなど多岐にわたり，オルガネラの機能維持に不可欠である。本項ではその事例をいくつか紹介する。

葉緑体内に存在する数千種類のタンパク質の大部分は核ゲノムにコードされ，細胞質で N
末端側に葉緑体移行シグナル (TP) をもつ前駆体として合成された後，葉緑体外包膜の TOC複合体により認識され，内包膜の TIC-Ycf2/FtsHi を介してストロマに輸送される (Thomson etal., 2020)。ストロマの Zn 結合エンド型ペプチダーゼである SPP は，こうした前駆体タンパク質を認識して TP を切断 (プロセッシング) する (Teixeira and Glaser, 2013)。TP を切り離されたタンパク質はここで解離するが，TP はその後も SPP 内に留まって C 末端側をトリミング
された後ストロマに放出される (Richter and Lamppa, 1999, 2002)。SPP 発現抑制株は生育遅延と発達異常を引き起こし，欠損変異体は胚性致死を示す (Trösch and Jarvis, 2011; Zhong et al.,2003)。SPP 過剰発現体は野生株と同等の生育であるが，興味深いことに核コードの光化学系
II (PSII) アンテナ複合体 (LHCII) サブユニットの遺伝子発現が 10 倍以上上昇し，逆に発現抑制株では低下する (Yue et al., 2010)。一方チラコイド膜内腔 (ルーメン) 局在タンパク質では，TP の下流に輸送シグナル (TTS) が存在し，TAT 依存経路によって高次構造を保持した状態，または SEC 依存経路によって折りたたみが解かれた状態でルーメン内に移行する

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植物科学最前線 12:57 (2021)(Jarvis and Lopez-Juez, 2013)。この TTS はチラコイド膜局在のセリンプロテアーゼである Plsp1
によってプロセッシングされる (Midorikawa et al., 2014; Shipman and Inoue, 2009)。Plsp1 は酸化還元制御を受けており，ルーメン側の 2 つのシステイン残基間のジスルフィド結合により活性化する (Midorikawa et al., 2014)。Plsp1 欠損株では SEC 依存的に輸送される光化学系複合体サブユニットのプラストシアニンや PsbO がプロセッシング途中の状態でチラコイド膜内に 留 ま っ て 蓄 積 し て し ま う (Frielingsdorf and Klösgen, 2007; Midorikawa and Inoue, 2013;
Shackleton and Robinson, 1991)。一方 TAT 基質である PsbP の場合は，TTS 切断サイトを消失させると，恐らく TAT 透過装置内に留まった状態で，チラコイド膜で検出されるが，Plsp1 を欠損するとプロセッシング中間体がモノマー状態でストロマに蓄積する (Frielingsdorf andKlösgen, 2007; Midorikawa and Inoue, 2013; Shipman-Roston et al., 2010)。
代謝産物や無機栄養の合成や恒常性に関わる酵素は，葉緑体内の代謝・栄養環境の変化によってタンパク質分解を介した量的制御を受ける。クロロフィル b (Chlb) を合成するクロロ
フィリド a オキシゲナーゼ (CAO) は，生成物である Chlb 量の上昇に応答して Clp によって分解制御される (Nakagawara et al., 2007; Yamasato et al., 2005)。CAO の N 末端領域には短鎖長の分解シグナルが存在しており，恐らくこれが Chlb のない状態では CAO 構造の内部に位置しているが，Chlb の蓄積に伴って CAO が構造変化することで外部に露出するため ClpC シャ
ペロンにより認識されて分解されると考えられている (Sakuraba et al., 2007, 2009)。また同じ
テトラピロール合成経路のグルタミル tRNA 還元酵素 (GluTR) は，ヘム蓄積量が上昇するとClpS1/F 依存的に分解される (Richter et al., 2019)。通常 GluTR は N 末端領域と GluTR 結合タンパク質 (GBP) との相互作用を介してチラコイド膜上に係留している (Czarnecki et al.,2011)。しかし GBP はヘム結合タンパク質でもあり，ヘム存在下では GBP-GluTR 複合体の形成が阻害される (Richter et al., 2019)。したがってヘム蓄積量の上昇により，N 末端領域からGBP が解離し，同領域がストロマに露出する。この領域は ClpS1 によっても認識されることから，GBP から遊離した GluTR は Clp により分解される。さらに，チラコイド膜局在の銅ト
ランスポーターPAA2 は，ルーメンのプラストシアニンに銅イオンを供給するが，葉緑体内の銅イオン濃度が過剰になると Clp によって分解制御される (Tapken et al., 2015)。この銅濃度依存的な PAA2 の分解に ClpS1 は必要ないことから，ClpC シャペロンが直接認識すると考えられる。詳細な基質認識機構は不明であるが，PAA2 の N 末端側には金属結合モチーフがあるため，これが銅濃度の上昇により構造変化を引き起こし，CAO の場合と同様に Clp による認識を促すと考えられている。
光合成など葉緑体の代謝系を正常に維持するためには，葉緑体タンパク質の大部分を占める核コードタンパク質の輸送や各種代謝酵素群自体の品質管理が重要となる。Clp の大部分
はストロマに存在するが，一部は Tic110 と呼ばれる足場タンパク質を介して内包膜に局在している (Flores-Pérez et al., 2016; Sjögren et al., 2014)。前駆体タンパク質が膜輸送中に輸送チャネル内で凝集や停滞した際，あるいは TIC 複合体から解離後のプロセッシングや高次構造形
成に不具合が生じた際に分解排除することで，膜輸送の円滑化と品質管理に寄与することが示唆されている (Flores-Pérez et al., 2016)。カロテノイド生合成経路のフィトエン合成酵素(PHY) は，Tic110 を介して葉緑体内包膜に係留する DnaJ 様シャペロンの ORANGE (OR) タ

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ンパク質と結合することで，その高次構造と酵素活性が維持されているが (Welsch et al., 2018;
Yuan et al., 2020)，高次構造の形成異常を引き起こした PHY は ClpS1/F や ClpC/D を介して分解制御を受ける (Welsch et al., 2018)。イソプレノイド合成系のメチルエリスリトール 4-リン酸 (MEP) 経路の主要な律速酵素であるデオキシキシルロース 5-リン酸合成酵素 (DXS) の品質管理は，J20 アダプタータンパク質と Hsp70 シャペロンを介して ClpB3 依存のリフォー
ルディング活性または Clp 依存の分解活性により制御されている (Pulido et al., 2016)。高次構
造の形成異常あるいは凝集により不活性化した DXS は，Hsp40/DnaJ タンパク質である J20 により認識されて Hsp70 シャペロンに引き渡される。これにより不活性化 DXS は，Hsp70 及び
ClpB3 による協調的なリフォールディング反応を通じた再活性化，あるいは Hsp70 から ClpC1への基質輸送を伴う分解制御を受ける。この不活性化 DXS の運命決定は，ClpB3 と ClpC1 の相対的な量により決まると考えられている。Hsp70 から ClpC1 への基質輸送は直接または他の制御因子の介在が推察されている。Hsp70 と Clp はいずれも酸化ストレス障害を受けたタ
ンパク質の品質管理に関与することも示唆されている (Pulido et al., 2017)。過剰な光照射により活性酸素種が発生すると光合成装置が光障害を被るが，その主要なターゲットは PSII の反応中心 D1 タンパク質である (Kato and Sakamoto, 2018)。光障害を受けた PSII 複合体はグラナ
からストロマチラコイドに移動し，ここで部分的に解離することで D1 タンパク質が外部に露出する。その際に D1 はチラコイドルーメンとストロマにそれぞれ複数存在するセリンタ
イプのエンドペプチダーゼである DEG によって部分切断されて断片化し，その後 FtsH によりペプチドへとさらに分解されて除去される。その後葉緑体内で新規合成された D1 が PSIIに挿入され，再会合してグラナに移動する。この光障害を受けた PSII の修復には可逆的なリン酸化修飾が関与しており，リン酸化の標的として PSII コアタンパク質の D1/D2 や CP43，
PsbH が，またリン酸化酵素と脱リン酸化酵素として STN8 と PBCP がそれぞれ知られている(Kato and Sakamoto, 2014; Puthiyaveetil and Kirchhoff, 2013; Samol et al., 2012)。STN8 は DEG 依
存的な D1 断片化を抑制し，PBCP は D1 分解を促進するが，詳細なメカニズムは不明である。
上述した SPP により輸送前駆体から切断された TP や Clp/FtsH により分解されたタンパク質由来ペプチドは，ストロマ局在の Zn 結合型エンドペプチダーゼファミリーに属する３つのオリゴペプチダーゼ PreP1/2 と OOP がさらに断片化する (Kmiec et al., 2014)。TP のサイズは
概ね 26～146 aa であり (Zybailov et al., 2008)，一般的な Clp と FtsH の分解産物はそれぞれ 5～12 aa と 10～20 aa の短鎖ペプチドである (Choi and Licht, 2005; Ito and Akiyama, 2005) のに対して，PreP1/2 と OOP はそれぞれ 10～65 aa 及び 8～23 aa のペプチド断片を分解するため(Kmiec et al., 2014; Moberg et al., 2003; Ståhl et al., 2005)，これらペプチドを分解できる。一方
PreP/OOP 依存的に分解されたペプチドは，3～4 aa 程度となるもののアミノ酸への分解には至らない。PreP/OOP の下流では，2 つの金属結合性アミノペプチダーゼである M1 と M17-20
が TP などに由来する数アミノ酸程度のペプチドをさらに分解して遊離アミノ酸を生成すると考えられている (Teixeira et al., 2017)。

４．細胞内シグナル伝達との関係
葉緑体タンパク質分解と共役した細胞内情報伝達経路の例が最近いくつか報告されている。

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これらはシグナル伝達関連因子の分解制御や分解装置自体の損傷により誘導されるストレス応答機構，そして分解産物の蓄積が誘導する新たな細胞応答機構など幅広い。
葉緑体から核へのシグナル (レトログレードシグナル) の伝達機構において中心的役割を果たすストロマ局在シグナル統合因子として知られる GENOME UNCOUPLED1 (GUN1) はClp による分解制御を受ける (Wu et al., 2018)。GUN1 はストロマに局在するペンタトリコペ
プチドリピート (PPR) タンパク質の一種である。GUN1 は通常生育環境下では Clp 依存的な分解により極めて低い蓄積量に抑えられているが，レトログレードシグナルが駆動されるス
トレス環境下では分解速度が低下し，ストレス応答が引き起こされる。特にレトログレード
シグナルを駆動する薬剤であるリンコマイシン (LIN) などにより葉緑体の翻訳を阻害した
場合は GUN1 の顕著な蓄積量の上昇が見られるが，このとき葉緑体コードの ClpP1 サブユニットの発現量の低下も観察されている。Clp がどのように GUN1 を認識しているかは明らかではないが，GUN1 の安定性には PPR モチーフが関与することが示唆されている。また GUN1はヘム結合タンパク質であることも示されている (Shimizu et al., 2019)。一方，活性酸素種(ROS) の一種である一重項酸素 ( O ) が引き起こすレトログレードシグナル伝達経路では，
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チラコイド膜局在の FtsH とグラナ周縁部に局在する O センサーである EXECUTER1 (EX1)12が協調して機能する (Dogra et al., 2017; Wang et al., 2016)。すなわちグラナ周縁部の O が増大
12すると EX1 の特徴的なトリプトファン残基が酸化修飾されることで FtsH による EX1 分解が引き起こされ，結果として核コードのストレス応答遺伝子の発現が誘導される (Dogra et al.,2017, 2019a)。
真核生物オルガネラ内のタンパク質恒常性に異常があると，オルガネラ局在のシャペロン
やプロテアーゼ等をコードする核遺伝子の発現が誘導される。この現象は小胞体ストレス応
答 (unfolded protein response) と呼ばれ，酵母や動物の小胞体 (UPR) やミトコンドリア(UPRmt) で見られる (Haynes et al., 2013; Walter and Ron, 2011)。緑藻や植物の葉緑体においても，RNAi や LIN を利用した Clp の発現低下により核コードの ClpB3 をはじめとするシャペロン群等の発現上昇及び葉緑体タンパク質の恒常性の回復などが観察され，葉緑体の UPR の存在が示唆されている (cpUPR) (Llamas et al., 2017; Ramundo et al., 2014)。この cpUPR の誘導は GUN1 非依存的なシグナル伝達経路であり，転写因子である HsfA2 が関与すると考えられている (Llamas et al., 2017)。一方，チラコイド FtsH の欠失により PSII などの葉緑体タンパク
質の恒常性に異常が生じた場合は，シャペロンやプロテアーゼ，ROS 消去系酵素などのタン
パク質品質管理関連因子の蓄積が上昇することが観察されている (Dogra et al., 2019b)。これ
ら因子の蓄積上昇は転写レベルで制御されており，この現象は上述の UPR と類似していることから UPR 様応答，あるいは酸化修飾を受けた損傷タンパク質が蓄積していることから損傷タンパク質応答 (damaged protein response, DPR) と呼ばれる。また欠失とは異なるチラコイド
FtsH の機能損傷，すなわちシャペロンドメインの変異によって基質のアンフォールド活性のみを損なった異常な FtsH が存在する場合は，完全欠失したときにも見られた PSII タンパク質の恒常性障害だけでなく，サリチル酸 (SA) 応答性遺伝子の発現上昇を伴う特徴的なストレス応答を示す (Duan et al., 2019)。このストレス応答には，葉緑体で合成される SA による核遺伝子の発現制御，すなわちレトログレードシグナルとしての役割が示唆されている。他

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方 SA 合成を担うイソコリスミ酸経路酵素群と FtsH 機能との関係についても興味がもたれる(Dogra and Kim, 2019)。
オリゴペプチダーゼ PreP/OOP を欠損した 3 重変異体では TP 由来ペプチド及びその下流の機能性領域に由来する分解産物の蓄積が確認されている (Kmiec et al., 2018)。分解産物の蓄積が検出されたタンパク質は，Rubisco の大サブユニットや Rubisco アクチベース，LHCII，D1，
CP47，プラストシアニンなど存在量が比較的多いものであった。興味深いことに，この 3 重
変異体は病原菌に感染していないにも関わらず，病害ストレス応答関連遺伝子の発現上昇が観察されている。このことから，蓄積したペプチドが病原性エフェクターとして細胞内の防御応答シグナル伝達経路を活性化していることが示唆されるが，葉緑体タンパク質由来ペプ
チドがどこで蓄積し，どのように感知・伝達されているかは明らかではない。一方ヒメツリ
ガネゴケにおいて生体内ペプチドの網羅的解析が行われており，葉緑体タンパク質由来ペプ
チドが細胞内だけでなく細胞外においても多数検出されている (Fesenko et al., 2015; Mamaeva
et al., 2020)。

５．おわりに葉緑体プロセッシブプロテアーゼは，細菌由来の分子装置から派生しているものの，共生進化の過程で多様化・高度化することで独自の分解システムを構築し，葉緑体タンパク質分解において中心的な役割を果たすようになった。実際，植物の代謝環境や栄養状態等の変化に応じたオルガネラの恒常性維持機構やストレス下における細胞内情報伝達系での機能は多岐にわたり，かつ複数の介助因子等を巻き込んだ複雑な分解制御系を形成している。そのためプロテアーゼ機能の障害は代謝環境やシグナル伝達系に甚大な影響を引き起こす。そのようなことから，葉緑体プロテアーゼはオルガネラ恒常性と細胞内シグナル伝達のあいだ，ある
いはその境界において両者を統合制御する存在と言えるのではないだろうか。一方，オリゴ
ペプチダーゼ変異体の解析等により分解産物ペプチドが新たな役割を果たす可能性も出てきた。これはプロテアーゼが，単に役目を終えたタンパク質を除去しているのではなく，不要
タンパク質を短鎖ペプチドという新たな機能分子種に再生していることを意味しているのかもしれない。ヒト小胞体膜上には TAP (transporter associated with antigen processing) と呼ばれるペプチドトランスポーターが存在し，ウィルス感染等に由来する病原体タンパク質の分解産物ペプチドを細胞質から小胞体内に取り込む (Parcej and Tampé, 2010)。これにより小胞体
ルーメン内の MHC (major histocompatibility complex) クラス I 分子がペプチドと結合し，ゴルジ体を経て感染細胞表層に移行すると，当該ペプチドを異物として抗原提示して免疫応答が引き起こされる。また線虫ミトコンドリアの UPRmt では，Clp 依存的に分解されたマトリッ
クスタンパク質の断片が HAF-1 と呼ばれる包膜局在のペプチドエクスポーターによって放出される (Haynes and Ron, 2010)。興味深いことに，シロイヌナズナゲノム上にはヒト TAP や線虫 HAF-1 のホモログをコードする遺伝子が 2 つ存在し，その 1 つはプロテオーム解析により
葉緑体包膜において検出されている (Huang et al., 2013)。この TAP ホモログの解析を通じて，葉緑体タンパク質分解に由来するペプチド断片がその後辿る運命や果たす役割，あるいはオ
ルガネラ恒常性と細胞内シグナル伝達との関係についての理解に繋がるかもしれない。

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謝辞
本研究は JSPS 科研費 (課題番号 19K23734) の助成を受けて行われた。

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