植物CDKAの光反応への関与を発見
植物CDKAの光反応への関与を発見
北海道大学大学院理学研究院の藤田知道教授，同大学院生命科学院博士後期課程の包 亮氏（当時）及び井上夏実氏，石川県立大学の関根政実教授，基礎生物学研究所の長谷部光泰教授，石川雅樹助教，九州大学，理化学研究所，宮城大学らの研究グループは，コケ植物を用いて細胞分裂に重要なタンパク質の新規機能の発見に成功しました。
私たちの体は約60兆個の細胞で出来ており，そのうちの2%が毎日新しく入れ替わっているといわれています。このような細胞の入れ替えは細胞分裂によって行われており，多数のタンパク質によって異常が起こらないように管理されています。よって、細胞分裂に関わるタンパク質の研究は、私たちが健康を維持するために重要であると考えられています。
本研究では、細胞分裂の進行に極めて重要なタンパク質であるCDKAに着目しました。このタンパク質は、変異体を作成しようとするとその生物が死んでしまうことから、これまで詳しい実験は行われていませんでした。しかし、コケ植物ではCDKAがなくても生存できるというこれまででは考えられなかった発見を端緒とし，CDKAを欠いたコケ植物を用いることでCDKAの細胞分裂以外の働きを調べられると考え，さらに研究を進めました。CDKA欠損の変異体は野生型と比べて、成長や形に異常は見られませんでした。しかし、コケ植物がストレスを感じるような光を当てると，変化が見られました。強すぎる光や弱すぎる光を当てた場合に，普通のコケは光の来る方向から逃げる，または向かうように成長する光屈性を示します。CDKA欠損植物は，光の強さに関わらず常に光の来る方に成長しました。よって，CDKAは光の強さと方向を認識するのに関わる可能性があることがわかりました。
また、CDKAが葉緑体光定位運動にも関わっていることを見つけました。葉緑体光定位運動とは、葉緑体が植物にとって適度な光を吸収し光合成を効率よく行うために細胞内を頻繁に移動することです。この葉緑体光定位運動には細胞骨格が重要な働きをしますが，CDKA欠損植物では細胞骨格が正しく働けず，葉緑体の移動が起こらなくなりました。このことから，CDKAが細胞骨格の制御を行いながら，葉緑体の動きの制御に関わり，光合成の最適化に影響を与えることが判明しました。さらに，モデル植物として代表的なシロイヌナズナでも同様の実験を行い，コケ植物のCDKAと同じ働きをしていることがわかりました。
これらの結果から，細胞分裂に重要であることでよく知られていたCDKAは細胞分裂以外に，光合成に大切な光屈性や葉緑体光定位運動という光の情報を伝達する部分でも極めて重要な役割をもつことが実証されました。本研究は植物のCDKAについてですが、動物も似た働きをする遺伝子を持っています。従って今後はヒトでも、細胞分裂以外にも細胞骨格を調節しながら細胞内で大切な働きをしており，それらがヒトの健康に重要な役割を持つような新しい例が多く見つかることが期待されます。
図. 正常な植物(野生型)とCDKA欠損体の比較。A: コケ植物の原糸体の様子。B: 光屈性応答が両者で異なる。C:葉緑体光定位運動の際に、葉緑体の周りに特異的に作られる細胞骨格(緑色:GFP)の集合(白矢印)が見られない。D: CDKAが光応答に関わるイメージ図。
本研究成果のより詳しい内容については、北大プレスリリース(https://www.hokudai.ac.jp/news/2022/01/cdkacdka.html)にも掲載されております。是非、併せてご覧下さい。
論文情報
論文名 A PSTAIRE-type cyclin-dependent kinase controls light responses in land plants（陸上植物におけるPSTAIRE型サイクリン依存性キナーゼの光応答制御機構）
著者名 Liang Bao1, 井上夏実1, 石川雅樹2,3, 後藤栄治4, Ooi-Kock Teh5, 比嘉 毅6, 森本智郎1, Eggie Febrianto Ginanjar1, 原島洋文7, 野田なつみ8, 綿引雅昭8, 日渡祐二9, 関根政実10, 長谷部光泰2,3, 和田正三6, 藤田知道8（1北海道大学大学院生命科学院，2基礎生物学研究所，3総合研究大学院大学，4九州大学大学院農学研究院, 5北海道大学高等教育推進機構,6九州大学大学院理学院, 7理化学研究所環境資源科学研究センター, 8北海道大学大学院理学研究院, 9宮城大学食産業学群, 10石川県立大学生物資源環境学部）
雑誌名 Science Advances（アメリカ科学振興協会のオープンアクセスジャーナル）
