PHYB, PIF, CBF

Proc Natl Acad Sci U S A. 2012 Aug 27. [Epub ahead of print]

Photoperiodic regulation of the C-repeat binding factor (CBF) cold acclimation pathway and freezing tolerance in Arabidopsis thaliana.

Lee CM, Thomashow MF.

 

Thomashowのところからの論文。

 

要約

CBFは低温順化に重要な因子である。シロイヌナズナにおいてはCBF1, 2, 3の低温誘導がこの順化に関わっており、CBFターゲット遺伝子の発現誘導を行い、低温耐性になる。通常条件ではCBFの転写レベルは低く保たれているが、概日リズムの影響によりオシレートしており、夜明け後8時間(ZT8)にピークがある。筆者らはCBF経路が通常条件でphotoperiodによって調節されていることを明らかにした。ZT8ではCBF転写レベルは短日(SD)条件で長日(LD)条件よりも３～５倍高かった。更に、SD植物の低温耐性はLD植物よりも強かった。遺伝学的な解析から、PHYBとPIF4, PIF7はLDにおけるCBF経路の抑制及び凍結耐性の抑制に働いていることが明らかとなった。LD植物におけるCBF経路の抑制はPIF4及びPIF7の高い転写レベルと、LDにおけるPIF4, PIF7の安定性が関わっていた。このことから、暖かなLDの季節ではPHYB, PIF4, PIF7によってCBFは積極的に抑制され、エネルギーや栄養源を凍結防御よりもほかに回しており、SDになるとCBF経路を活性化して、これから来るであろう低温に対する準備していると考えられる。

 

PHYとPIFが絡んできました。確かに低温耐性には光が関わっているということも言われていたので、そういうこともありなのかと思われます。

 

 

文献紹介。

低温と概日時計の調節ということで最近分かったことを２報。

 

Plant Cell. 2012 Jun 19. [Epub ahead of print]

A Self-Regulatory Circuit of CIRCADIAN CLOCK-ASSOCIATED1 Underlies the Circadian Clock Regulation of Temperature Responses in Arabidopsis.

Seo PJ, Park MJ, Lim MH, Kim SG, Lee M, Baldwin IT, Park CM.

Department of Chemistry, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea.

概日時計の因子の１つであるCCA1が低温順化に関わるとのこと。どのようにしてCCA1の活性が調節を受けて、概日リズムと低温順化に関わっているかをこのたび明らかにした。スプライスバリアントであるCCA1βによってCCA1のself-regulationが行われることが概日時計と低温順化をつないでいる。CCA1βはCCA1α-CCA1α、LHY-LHYといったホモダイマーやCCA1α-LHYヘテロダイマーの形成を阻害する。どうやってかというと、CCA1βとnonfunctional heterodimers作って、このことによりDNAへの結合活性が弱まるということ。ということで、CCA1β過剰発現体35S:CCA1βはcca1 lhy二重変異株と同様、概日リズムが短くなった。さらに、CCA1α過剰発現体35S:CCA1αでみられるelongated hypocotylやleaf petioleの表現型がCCA1βを共発現させると、表現型が抑えられた。注目すべきことは、低温にするとCCA1のalternative splicingが抑えられて、CCA1βもできにくくなる。なので、35S:CCA1αでは凍結耐性が増し、35S:CCA1βでは凍結感受性を示した。このことから、CCA1 alternative splicingの調節が低温耐性に寄与していることを示している。CCA1のself-regulationにより、時計による温度応答の調節がされているということで結論付けている。

Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Apr 26;108(17):7241-6. Epub 2011 Apr 6.

Circadian clock-associated 1 and late elongated hypocotyl regulate expression of the C-repeat binding factor (CBF) pathway in Arabidopsis.

Dong MA, Farré EM, Thomashow MF.

Department of Energy Plant Research Laboratory, Michigan State University, East Lansing, MI 48824, USA.

CBF依存的低温シグナルは低温順化において非常に重要な経路である。Arabidopsisにおいて転写活性化因子であるCBF1, CBF2, CBF3は低温時において非常に素早く誘導され、その後、CBF regulonと呼ばれるCBFターゲット遺伝子を誘導する。CBF regulonの発現により凍結耐性能が上昇する。以前の研究ではCBF1-3は概日リズムによって調節されており、その低温誘導は概日時計によって調節されていた。今回の研究では、遺伝学的解析及びChIP解析から、概日リズムによる調節は、CCA1及びLHYの２つの転写因子が直接的に働くということが明らかとなった。まず、cca1-11 lhy-21二重変異株ではCBF1-3の低温誘導能が著しく低下し、CBF1とCBF3の概日リズムの調節が失われていた。CBF2の概日リズムは見られたが、振幅が顕著に減少していた。また、CBF regulonであるCOR15A, COR47, COR78では概日リズム及び低温誘導がcca1-11 lhy-21二重変異株では著しく低下していた。さらに、この二重変異株では順化前後に関わらず、凍結耐性能が失われていた。これらの結果から、CCA1/LHYを介した概日時計はCBF依存的低温シグナルの調節を介して、低温耐性に関わっていることが示された。

概日リズムは低温応答に関わっていることはよく知られていたが、分子レベルで明らかになってくると、時計遺伝子がキーになるわけですね。CCA1がalternative splicingで調節されるというのは非常に興味深いです。

Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Sep 27;108(39):16475-80. Epub 2011 Sep 19.

Integration of low temperature and light signaling during cold acclimation response in Arabidopsis.

Catalá R, Medina J, Salinas J.

ある種の植物は凍結しないレベルの低温に応答して凍結耐性を上昇させるが、この過程を低温順化とよぶ。この低温順化には光が必要であるが、どのように光と低温シグナルがクロストークを行って凍結耐性を上昇させるかについてはほとんど分かっていない。この研究ではHY5(光シグナルに関わる転写因子)の転写レベルが低温によって調節されていることを明らかにした。この調節はCBF(低温シグナルの重要な転写因子)やABA(アブシジン酸)非依存的な経路であった。また、HY5タンパク質はCOP1(ユビキチンE3リガーゼ)によって調節されるが、低温時においてはCOP1が核外へ移行することでHY5が安定化することが明らかになった。更にHY5がZ-boxや他のcis因子に作用することで、低温誘導性遺伝子を正に調節していることが明らかとなった。これらの証拠は、低温応答におけるHY5, COP1, Z-boxの機能を明らかにし、低温シグナルと光シグナルのクロストークに関する知見を提供することとなる。また、こうした複雑な分子機構を発達させることで、自然環境の変動に適応していることが明らかとなった。


HY5自体も低温によって誘導されるから、これを担う何かが必要となってくるわけである。CBFが関与していないから、何かほかの転写因子が必要ということ。この辺りの調節機構が分かれば、更に面白くなる。

Alternative splicingによって自己制御

Nat Commun. 2011;2:303.

Two splice variants of the IDD14 transcription factor competitively form nonfunctional heterodimers which may regulate starch metabolism.

Seo PJ, Kim MJ, Ryu JY, Jeong EY, Park CM.

Department of Chemistry, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea.

　転写産物のalternative splicingは真核生物において、多様な転写産物及びタンパク質の創出に重要な役割を担っている。本研究では、シロイヌナズナIDD14 転写因子のalternative splicingによって競合阻害を引き起こすタンパク質が生成され、デンプン合成の調節に寄与していることが明らかにされた。IDD14はIDD14α(機能をもつ)とspliced variantであるIDD14βがalternative splicingによって生成される。IDD14βは特に低温条件においてより多く生成されるが、IDD14βはDNA結合ドメインを欠いているがIDD14αとヘテロダイマーを形成することが可能である。このIDD14α-IDD14βヘテロダイマーはQQS (Qua-Quine Starch、デンプン蓄積の調節遺伝子)プロモーター領域への結合能が低下していた。IDD14α過剰発現植物ではQQS過剰発現植物と同様に、成長阻害及び淡緑色を示した。一方でIDD14βを過剰発現させるとIDD14αで見られた表現型が正常に戻った。このことから、IDD14におけるalternative splicingは自己制御ループを形成し、低温に応答したデンプンの蓄積調節に関わっていることが示唆された。

最近発刊されたNature Communicationsの論文。Alternative splicingによって、βがαを低温時に調節するという現象で、興味深い論文。In silicoでalternative splicingされる転写因子が300近くあるのだが、その中でどうやってIDD14をピックアップしたのか？は書かれていない。神の手？