苔類ゼニゴケの油体から解き明かす新規オルガネラ獲得機構
Mechanism of organelle acquisition unraveled by studies of the oil bodyin the liverwort Marchantia polymorpha（日本植物学会推薦）

代表研究者 基礎生物学研究所

上田貴志

National Institute for Basic Biology

Takashi UEDA

Eukaryotic cells comprise various membrane-bounded organelles with diverse and specific functions, which areconnected one another by the membrane trafficking system. Diversification and evolution of the membrane trafficking
system should be tightly related to acquisition and/or neofunctionalization of organelles, whose mechanisms, however,are remained elusive. A long-term goal of our research is to unravel how membrane trafficking pathways have been
diversified and how new organelles have been acquired during evolution. During comparative analysis of membranetrafficking systems in Arabidopsis thaliana and the liverwort, Marchantia polymorpha, we found that the oil body,which is a liverwort-specific organelle, is formed by the similar mechanism to the cell plate, which is formed byreorientation of the secretory pathway to accomplish cytokinesis in land plants. Furthermore, we discovered a mastertranscriptional regulator of oil body formation in M. polymorpha, which allowed us to modulate oil body formation inthis plant. Using the knock-out mutant and overexpressor plants of this master transcriptional regulator, we performed
RNA-seq analysis and succeeded in identification of many genes, which should be involved in oil body formation andsynthesis of catabolites stored in the oil body.

研究目的

オルガネラである油 体 （維 管 束 植 物 に観 られる

地 球 上 には，それぞれに特 有 の体 制 や生 活

オイルボディとは全 く異 なるオルガネラ）が，分 泌

環 を有 する，実 に多 様 な真 核 生 物 が存 在 する．

経 路 の配 向 転 換 により形 成 されることを見 いだし

それらの生 物 の細 胞 を構 成 するオルガネラレベた．さらに，順 遺 伝 学 的 な解 析 を通 して油 体 形ルにおいても，それぞれの生 物 ごとに特 殊 化 した

成 のマスター制 御 因 子 の同 定 にも成 功 した．こオルガネラやオルガネラ機 能 の存 在 が知 られての転 写 因 子 の制 御 機 構 および下 流 現 象 の解 析おり，真 核 生 物 の進 化 がオルガネラの進 化 と密により，油 体 形 成 の分 子 機 構 を明 らかに出 来 る

接 に関 連 していることが示 唆 されている．植 物 にと期 待 される．さらに，その仕 組 みを他 の植 物 のおいても，タンパク質 の貯 蔵 や空 間 充 填 などの膜 交 通 やオルガネラ機 能 発 現 の仕 組 みと比 較

機 能 を持 つ液 胞 や，木 質 バイオマスの実 体 であすることで，油 体 獲 得 に至 る進 化 の道 筋 の再 構

る植 物 細 胞 壁 をはじめとし，人 類 の生 活 に密 接築 が可 能 であると期 待 される．また，油 体 中 にはに関 わるオルガネラ機 能 や細 胞 構 造 が独 自 にMar c ha nt in を はじ めと す る様 々な 生 理 活 性 物 質

進 化 し て き た ．し か し ， 進 化 の 過 程 で 新 規 の オ ルが蓄 積 しており，油 体 形 成 マスター制 御 因 子 のガネラがどのようにして獲 得 されたのか，また，相下 流 因 子 の解 析 は，それらの生 合 成 経 路 に関同 なオルガネラ間 における機 能 の多 様 性 はどのする知 見 の収 集 にも資 するものと期 待 される．そようにうまれたのかなど，真 核 生 物 に共 通 する基こで本 研 究 では，油 体 形 成 マスター制 御 因 子 の本 的 な謎 が多 く残 されている．我 々は近 年 ，苔

下 流 因 子 を網 羅 的 に同 定 するとともに，その候類 ゼニゴケを用 いた研 究 により，苔 類 に特 有 の補 の機 能 解 析 を行 うことで，油 体 形 成 の分 子 機

構 の 解 明 を 試 みた ．

未知の分泌タンパク質遺伝子などが含まれることが研究経過明らかになった．これらの中から選抜した一部の遺油体形成のマスター転写因子（以後 MpTF-2 と称伝子について，レポーター遺伝子や蛍光タンパク質する）は，油体の形態や分布パターンに異常を呈すとの融合コンストラクトを用いた発現パターンの観る変異体のスクリーニングにおいて，油体の数が顕察を行ったところ，調べたいずれの遺伝子について著に増加する変異体の原因遺伝子として見いだされも油体細胞で特異的に発現していることが確認された．油体の数が増加するこの変異体では MpTF-2 がた．また，蛍光タンパク質との融合タンパク質の細過剰発現しており，一方ゲノム編集により得られた

胞内局在観察により，新規の油体局在タンパク質を機能欠失変異体 Mptf-2 では油体形成が全く起こらな複数見いだすことに成功した．

かった．このことから，MpTF-2 が油体形成のマス

現在，これらの遺伝子の機能解明をさらに進めるター転写因子であると結論づけた．この転写因子のべく，それぞれの遺伝子の過剰発現変異体およびゲ下流遺伝子群を網羅的に同定するため，まずこれらノム編集による機能欠失変異体の作出を進めている．の変異体と野生型を用いて RNA-Seq 解析をおこな

現在までに，油体細胞への分化はおこるものの油体

い，各遺伝子型の植物におけるトランスクリプトーが形成されないなど，興味深い表現型を示す変異体ム情報を得た．続いて，得られた結果の多群間比較が得られている．単一の機能欠失変異体で顕著な異解 析 を お こ な っ た ． そ の結 果 ， 野 生 型 と 比 較 し常が見られなかったものについては，パラログとのMpTF-2 過剰発現変異体で発現量が有意に増加し，多重機能欠失変異体の作出も進めている．これらのかつ Mptf-2 機能欠失変異体で発現量が有意に減少す

遺伝子の機能解析を進めることにより，油体形成にる遺伝子が，MpTF-2 を含めて 137 個存在することおける遺伝子発現制御とそれに伴う輸送経路の制御が明らかになった．これらの遺伝子が，MpTF-2 に機構に関して, より詳細な知見が得られるものと期よる制御を受ける遺伝子であると考えられる．

待される．

これらの遺伝子群の変動が MpTF-2 の発現に起因するかをより詳細に調べるため，MpTF-2 の発現誘考察

導系を構築し，誘導処理後の発現量の推移を調査し本研究の長期的なゴールは，新規オルガネラ獲得た．Estradiol 誘導プロモーターに MpTF-2 を連結しやオルガネラ機能多様化の分子機構を明らかにするたコンストラクトを作製し，先行研究で得られた油ことにある．本研究課題では，新規獲得オルガネラ体マーカーである YFP-MpSYP12B により油体を可のモデルとして苔類ゼニゴケの油体に注目し，その視化した植物体に導入した．この株に対して形成のマスター制御転写因子である MpTF-2 を用いEstradiol 処理を行い経時的に観察をおこなったとこた研究を行った．

ろ，約 14 時間後から YFP シグナルが観察され始め，油体はコケ植物の中でも苔類に特異的に存在する

24 時間後にはほぼ全ての細胞で油体形成が誘導さオルガネラであり，今から 180 年以上前の文献に既れる様子が観察された．また，Estradiol 処理したサにその記述がみられる．しかしその機能や由来となンプルから経時的に mRNA を抽出し，上述の 137 遺るオルガネラ，形成の分子機構はほとんど未解明で伝子の中から選抜した遺伝子について定量的逆転写あった．我々のこれまでの研究により，この油体膜PCR により発現量を定量した．その結果，発現誘導に局在するタンパク質を世界で初めて同定するととが起こるタイムコースに違いが見られるものの，いもに，順遺伝学的スクリーニングを通して MpTF-2ずれの遺伝子についても MpTF-2 誘導条件下でそのを発見したことで，油体形成の分子機構の解明が可発現が誘導された．このことから，これらの遺伝子能になった．

群の発現が MpTF-2 により誘導されることが確認された．

ゼニゴケの油体は全細胞に対し 0.5～1%しか存在しないため，その発生過程を追跡・解明することが続いて，137 個の遺伝子についてオントロジー解非常に困難であった．しかし本研究で MpTF-2 誘導析を行った．その結果，MpTF-2 により発現制御を系を確立したことにより，人為的に油体発生を誘導受けている遺伝子群には， 膜交通に関連する遺伝子，することが可能となり，油体の発生過程を詳細に追代謝経路に関連する遺伝子，膜輸送体遺伝子，機能跡することが可能となった．また，MpTF-2 の過剰発現体や機能欠失変異体を用いた RNA-seq 解析によを進めることで，植物が新規のオルガネラや細胞構り， MpTF-2 の下流で機能する油体形成に関わる遺造を獲得する上で採った共通の戦略を解明出来るも伝子群を網羅的に同定することに成功した．さらにのと期待される．さらにその延長線上には，その戦本研究の結果は，油体というオルガネラの形成が単略を応用した植物細胞におけるオルガネラ創造の可一の転写因子のオン・オフで制御されていることを能性が広がる．有用物質の産生や蓄積，有害物質の示している．我々の誘導系は，オルガネラの発生を除去への貢献など，新しく造り出すオルガネラは，自在に操ることの出来る現存する唯一の系であり，大きな可能性を秘めている．

今後オルガネラ新生のメカニズムを解明する上で，強力なモデル系となるものと期待される．

研究の発表

今後も引き続き，MpTF-2 による転写制御の仕組

口頭発表

みをさらに明らかにするべく研究を進める．エピト国際学会

ープタグ融合の MpTF-2 が機能欠失変異体の表現型

1.

Takehiko Kanazawa and Takashi Ueda. Regulatory

を相補しなかったため，これを用いた ChIP-Seq 解析

mechanisms of biogenesis of the oil body inなどができなかった．今後 MpTF-2 の抗体を作製す

Marchantia

るなどして，直接の標的遺伝子の同定に取り組む予

Biology 2019. 15th March, 2019, Nagoya, Japan定である．また，MpTF-2 を含めた 137 遺伝子の機2.

polymorpha.

Japan-TaiwanPlant

Takehiko Kanazawa and Takashi Ueda. A shared

能解析を通して，油体形成の分子機構の解明を今後

framework of organelle acquisition during land plant

さらに進める予定である．

evolution. 21st ENPER meeting. 5th September

野生型植物の油体細胞では，油体以外のオルガネ
ラや細胞骨格にもユニークな形態的あるいは動態的

2018, Vienna, Austria3.

特徴が見られる．我々が確立した油体形成の誘導系

of membrane traffic in spermatogenesis ofを用いて油体形成時の様々なオルガネラや細胞骨格

Marchantia polymorpha. EMBO workshop “Newのダイナミクスを観察することで，油体と他のオル

shores in land plant evolution” 23rd June 2018,ガネラや細胞骨格の関連が明らかにできるものと期

Lisbon, Portugal

待される．また，細胞骨格やオルガネラの機能阻害剤，膜交通の阻害剤などを用いた薬理学的アプロー

Takashi Ueda (invited speaker) Roles and regulation

4.

Takehiko Kanazawa and Takashi Ueda. A common

チも，油体形成と他のオルガネラ機能や細胞骨格とstrategy for organelle acquisition during plantの関連を明らかにする上で有効であろう．

evolution. EMBO workshop “New shores in land
plant evolution”22nd June 2018, Lisbon, Portugal

陸上植物の細胞質分裂時に一時的に出現する細胞板や，共生糸状菌が形成する樹枝状体など，植物に5.

Takashi Ueda (co-organizer and invited speaker)

は油体以外にも植物固有のオルガネラや細胞構造がAdaptor proteins involved in clathrin-mediated存在する．興味深いことに，これらのオルガネラやendocytosis in plant cells. CoB workshop “Cellular

細胞構造の形成の際には，油体形成時と同様に転写

gateways: expanding the role of endocytosis in plant

レベルでの発現制御を伴う分泌経路の一過的な方向転換が観察される．油体を含めこれらのオルガネラや細胞構造は，機能において全く異なっている．にdevelopment” 22nd April 2018, West Sussex, UK
6.

Takashi Ueda (invited speaker) Diversification of
membrane trafficking pathways during land plant

も関わらず，そのすべての形成において分泌経路の配向転換が関わっているという事実は，植物におけevolution unraveled with Marchantia polymorpha.

るオルガネラ獲得戦略の一貫性を示しているのかもThe 65th NIBB conference Renaissance ofしれない．

Marchantia polymorpha –the genome and beyond–,

油体形成マスター転写因子 MpTF-2 の下流で機能する遺伝子のホモログが，細胞板や樹枝状体形成においてどのような機能を担っているのかも，今後解析すべき興味深い研究対象である．そのような実験

17th December 2017, Okazaki, Japan
7.

Takehiko Kanazawa, Takashi L. Shimada andTakashi Ueda. Biogenesis and morphogenesis of theoil body. The 65th NIBB conference Renaissance of8.

Marchantia polymorpha –the genome and beyond–,

誌上発表

17th December 2017, Okazaki, Japan

1.

Takashi Ueda (invited speaker) Evolution of plant

Kanaoka, MM., Ebine, K., Higashiyama, T., Nakano,membrane trafficking system driven by

A. and Ueda, T. (2018) ANTH domain-containing

diversification of RAB and SNARE proteins. 4thproteins are required for the pollen tube plasma
membrane integrity via recycling ANXUR kinases.

AoE Symposium on Organelle Biogenesis andCommun.

Function, 2nd December, 2017, Hong Kong9.

Muro, K., Matsuura-Tokita, K., Tsukamoto, R.,

Takashi Ueda (invited speaker) Diversification ofBiol.,

1,152,

doi:

https://doi.org/10.1038/s42003-018-0158-8
2.

Ito, E., Ebine, K., Choi, S., Uemura, T., Nakano, A.

membrane trafficking pathways during land plantand Ueda, T. (2018) Integration of two RAB5 groups

evolution. Taiwan-Japan Plant Biology 2017, 4thduring endosomal transport in plants. eLife, 7:

November, Taipei, Taiwan

e34064, doi: https://doi.org/10.7554/eLife.3406

10. Takehiko Kanazawa and Takashi Ueda. Cell-specific3.

Takemoto, K., Ebine, K., Askani, JC., Krüger, F., Ito,redirection of a membrane trafficking pathway led toE., Goh, T., Schumacher, K., Nakano, A. and Ueda,

acquisition of lineage-specific organelles during land

T. (2018) Distinct sets of tethering complexes,

plant evolution. Taiwan-Japan Plant Biology 2017,

SNARE complexes, and Rab GTPases mediate

4th November, Taipei, Taiwan

membrane fusion at the vacuole in Arabidopsis. Proc
Natl Acad Sci USA., 115: E2457-E2466, doi:
https://doi.org/10.1073/pnas.1717839115

国内学会
1． 金澤建彦, 島田貴士, 上田貴志. ゼニゴケの油4.

Minamino, N., Kanazawa, T., Era, A., Ebine, K.,

体形成および形態形成に関する因子の探索. 第Nakano, A. and Ueda, T. (2018) RAB GTPases in

59 回日本植物生理学会年会. 2018 年 3 月 29 日,

the basal land plant Marchantia polymorpha. Plant

札幌・北海道Cell Phys., 59, 850-861, doi:

2． 金澤建彦, 上田貴志. 膜交通から探るゼニゴケ
油体形成機構. 第 60 回日本植物生理学会年会.
2019 年 3 月 14 日, 名古屋・愛知

https://doi.org/10.1093/pcp/pcy02