植物の栄養欠乏応答における翻訳制御〜ホウ素が翻訳の終止に影響することを発見〜

記事詳細

植物の栄養欠乏応答における翻訳制御〜ホウ素が翻訳の終止に影響することを発見〜

研究成果のポイント

ホウ素濃度が異なる環境で栽培した植物について，遺伝子の翻訳状態の変化をゲノムワイドに解析し，翻訳段階で制御を受ける遺伝子を同定しました。
AUG-Stopという最小のオープンリーディングフレーム (ORF) が，複数の遺伝子において翻訳調節に関与していることが示唆されました。
ホウ素濃度が高い環境では終止コドン上に存在するリボソームの割合が増加することが明らかになり，ホウ素が翻訳の終止過程において未知の役割を果たしている可能性が示されました。

研究成果の概要

東京大学 (大学院農学生命科学研究科) と北海道大学 (大学院理学研究院，生命科学院，農学研究院，および地球環境科学研究院) の共同研究グループは，環境中のホウ素濃度に応じてシロイヌナズナのmRNA量と翻訳量がどのように変化するのかをゲノムワイドに解析し，ホウ素が植物の翻訳プロファイルに与える影響を明らかにしました。この研究により，ホウ素濃度依存的な翻訳制御を受ける遺伝子群が明らかになっただけでなく，ホウ素が翻訳という生物の根本的なイベント，特に翻訳の終止過程に普遍的に関与していることが見えてきました。

【背景】

植物をはじめ，生物は変化する環境に対して遺伝子発現を調節することで形質を変化させ，適応しています。遺伝子はゲノムDNAからmRNAに情報が転写され，その情報がタンパク質へと翻訳されることによって機能発現します。少し前までの遺伝子発現制御の研究，特にゲノムワイドな解析ではmRNA量の変化に着目したものが中心でしたが，最近の研究ではより最終的な機能発現に近いmRNAからタンパク質への翻訳過程における制御が注目されつつあります。

ホウ素は，植物の必須栄養素ですが，過剰に存在すると害を及ぼします。私達はこれまでに，ホウ素の吸収を司るホウ酸チャネル (NIP5;1) の発現が，リボソームの停滞によって調節されていることを明らかにしています。NIP5;1 mRNAでは，遺伝子の「本体」たるNIP5;1の読み枠 (オープンリーディングフレーム; ORF) の前 (上流) に，AUG-UAA (開始コドンの直後に終止コドン；以下「AUG-Stop」) という最小の上流ORFがあります。細胞内のホウ素濃度に依存してAUG-Stopでリボソームが停滞し，さらにNIP5;1 mRNAの分解が誘導されます (生命科学院サイエンストピックス 2016.10.24，https://www.lfsci.hokudai.ac.jp/info/1852.html)。これはタンパク質をコードしないORFが機能的に働いていることを示した初めての例でした。

【手法】

今回発表した研究では，

AUG-stopを介したホウ素依存的な翻訳制御は全遺伝子中でどの程度普遍的な現象なのか？
どのような遺伝子がホウ素環境に応じた翻訳制御を受けているのか？

を明らかにするため，異なるホウ素環境で栽培したシロイヌナズナのmRNAの翻訳状態を網羅的に解析しました。翻訳状態の網羅解析は，近年確立されたリボソームプロファイリング法 (Ribo-seq) によって行いました (図1)。この手法ではリボソームが結合した状態のmRNAを酵素 (RNase I) で分解し，リボソームに保護されているため分解されずに残ったmRNA断片 (リボソームフットプリント) の配列を次世代シークエンサーによって取得することで，リボソームがmRNA上の，どこに，どれだけ，存在していたのかを評価するものです。これを，mRNAの量を次世代シークエンサーで網羅的に解析するRNA-seqと組み合わせることで，mRNAごとに翻訳効率を知ることができます。なお，本研究では，ホウ素の欠乏や過剰による障害が起こらないマイルドな条件で実験を行っています。

【成果】

解析の結果，153か所のAUG-stop配列の上流ORFにおいてリボソームの存在が検出されました。そのうち63の例ではホウ素濃度に応答したリボソームフットプリントのシグナルの増加と，その下流の「本体」ORFの翻訳効率の低下が観察されました (図2)。このことから，ホウ素依存的にAUG-stop上でリボソームが停滞することを利用した翻訳制御が働いている遺伝子がNIP5;1の他にも多数存在することが示唆されました。

さらに，各コドンに対してそのコドン上にリボソームが存在する割合をゲノムワイドに解析したところ，ほとんどのコドンではホウ素による顕著な影響は見られなかったものの，終止コドン上に存在するリボソームの割合はホウ素濃度が高いほど増加するということが明らかになりました (図3)。このことは，ホウ素が終止コドン上でのリボソームの挙動に普遍的に影響を与えることを示しており，生物の翻訳過程においてホウ素に未知の役割があることが考えられます。

【展望】

これらの発見は，ホウ素環境の変動に強い作物を作出する手掛かりとなるとともに，生物学におけるホウ素の役割に新たな観点を与えることが期待されます。

【謝辞】

本研究は文部科学省科学研究費助成事業，科学技術振興機構未来社会創造事業「ゲームチェンジングテクノロジーによる低炭素社会の実現」の支援を受けて行われました。

論文情報

論文名 Global analysis of boron-induced ribosome stalling reveals its effects on translation termination and unique regulation by AUG-stops in Arabidopsis shoots.

著者名反田直之^1,2,#, 千葉由佳子^3,4, 三輪京子⁵, 高松世大⁴, 田中真幸¹, 山下由衣⁶, 内藤哲^4,6,#, 藤原徹^1,#(¹東京大学大学院農学生命科学研究科，²School of Bioscience, Cardiff University, United Kingdom，³北海道大学大学院理学研究院，⁴北海道大学大学院生命科学院，⁵北海道大学大学院地球環境科学研究院，⁶北海道大学大学院農学研究院，^#責任著者)

雑誌名 The Plant Journal

DOI 10.1111/tpj.15248

公表日 2021年3月26日

お問い合わせ先

東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻植物栄養・肥料学研究室

助教反田直之
E-mail: nsotta<アット>gmail.com

教授藤原徹
E-mail: atorufu<アット>mail.ecc.u-tokyo.ac.jp
Tel: 03-5841-5104 / Fax: 03-5841-8032

北海道大学大学院農学研究院応用生命科学分野分子生物学研究室

特任教授内藤哲
E-mail: naito<アット>abs.agr.hokudai.ac.jp
Tel：011-706-3888 / Fax：011-706-4932

E-mailアドレスは，<アット>を@に変えてください。

図１. リボソームプロファイリング (Ribo-seq) と RNA-seq解析.

図2. 上流ORFの長さ・翻訳効率と本体ORFの翻訳効率.
１コドンの長さの上流ORF (つまりAUG-stop: 赤) は，高ホウ素条件下でより高い翻訳効率を示し，一方，本体ORFの翻訳効率は低下する。ただし，AUG-stopの「翻訳効率」が高いということは，AUG-stopでのリボソームの滞在時間が長いと解釈するが適当である。