ジャガイモのミトコンドリア鉄輸送体（MIT）遺伝子：比較バイオインフォマティクス、干ばつおよび塩分に対する生理的および発現解析

以下の論文は、かつてパキスタンからの留学生であるBashir Kuhram君がイネから発見した、植物のミトコンドリアの鉄輸送体遺伝子であるMIT1を、ジャガイモからも見出して、その遺伝子発現を乾燥ストレスや塩ストレスの条件下で調べたものである。
　「概要」と「まえがき」と「結論」を紹介しておいた。
　　　　
　　　　　　
ジャガイモのミトコンドリア鉄輸送体（MIT）遺伝子：比較バイオインフォマティクス、干ばつおよび塩分に対する生理的および発現解析

Mitochondrial iron transporter (MIT) gene in potato
(Solanum tuberosum): comparative bioinformatics,
physiological and expression analyses in response to drought and salinity

Firat Kurt ・ Baris Kurt ・ Ertugrul Filiz ・ Kubra Yildiz ・ M. Aydın Akbudak

Biometals https://doi.org/10.1007/s10534-022-00411-7

要旨
ミトコンドリア鉄輸送体（MIT）遺伝子は、ミトコンドリアによる鉄の獲得/輸入に必須であり、ミトコンドリアが正常に機能するために不可欠な遺伝子である。
他の生物と異なり、植物における MIT の研究は限られている。
本研究では、ジャガイモのMIT遺伝子（StMIT）の比較バイオインフォマティクスアッセイと、遺伝子発現解析を行った。
系統解析の結果、MITタンパク質は単子葉植物と双子葉植物の間で分岐しており、また、クレードごとにモチーフの多様性があることが分かった。
また、ドッキング解析の結果、Asp172 と Gly100 残基が鉄と結合する最も近い残基として同定された。
StMITタンパク質モデルとシロイヌナズナ、トウモロコシ、イネのMITタンパク質との構造的な重複の割合は、80.18%から85.71%であった。
転写産物解析の結果、StMIT は干ばつおよび塩ストレス下で発現が促進されることが示された。
本研究で得られた知見は、MIT 遺伝子および植物の鉄代謝に関連する研究への貴重なヒ ントとなるであろう。

はじめに
：：：(中略)：：：
植物細胞の鉄の恒常性維持には、葉緑体とミトコンドリアが中心的な役割を果たすと考えられている。
この 2 つのオルガネラには、葉緑体の光合成経路やミトコンドリアの電子輸送鎖に関与する多くの鉄含有酵 素が含まれている。
また、近年の科学的研究により、鉄の欠乏はミトコンドリアの構造と機能を損なうことが明らかになっている（Vigani and Zocchi 2009; Vigani et al.）
ミトコンドリアのFe獲得は、鉄硫黄（Fe-S）クラスターの生成、呼吸、アポトーシス、呼吸複合体サブユニットにおける補酵素機能に必要な生化学反応の維持に不可欠な細胞内プロセスである（Philpott and Ryu 2014）。
酵母のミトコンドリアでのFe獲得/輸入には、ミトフェリンタンパク質であるMRS3およびMRS4（Mitochondrial RNA Splicing proteins）が重要な役割を持つことが報告された（Foury and Roganti 2002）。
Mrs3およびMrs4の変異は、酵母細胞内の低鉄含有量に伴う鉄の取り込みを破壊した（Moore et al.2018）。
同様に、ミトコンドリア鉄輸送体（MIT）は、ミトコンドリアにおける鉄の恒常性の維持に関与するタンパク質である。
MITはイネで初めて同定され、MITのホモ接合体ノックアウトはイネで致死的であった。また、MITノックダウン（mit-2）植物は、豊富なFe蓄積にもかかわらず、生育能力が低かった（Bashir et al.2011）。
Viganiら（2016）は、mit-2イネは根とシュート組織でMITの発現が変動していることを報告した。
シロイヌナズナでは、mit1およびmit2一重変異体は目に見える重要な表現型を示さなかったが、二重変異体は胚性致死を示した。
その結果、MIT1およびMIT2は、ミトコンドリアおよび植物全体の適切な発生と成長に必要である（Jain et al.2019）。
しかし、MITタンパク質では研究が限られており、MITでどのようにFeが輸送されるかはまだ展示されていない。
Feはferrous Feとしてミトコンドリアマトリックスに輸送されることが意図されているが、この輸送のためのリガンドの可能性は今のところ示唆されていない。
本研究では、ジャガイモの MIT 遺伝子と、シロイヌナズナ、イネ、トウモロコシの 3 種の植物について比較バイオイ ンフォマティクス解析を行った。
さらに、MIT による鉄輸送のリガンドとして、文献からクエン酸が提案され (Villafranca and Mildvan 1971; Pierre and Gautier-Luneau 2000)、ドッキング解析によりこの 3 者複合体を検証し た。
植物を含む他の生物種では、MIT 遺伝子の複数コピーの存在が報告されているが、Solanum tuberosum では 1 種類の MIT アイソフォームしか見つかっていない。
また、乾燥および塩ストレス下で StMIT が誘導されることから、MIT タンパク質が生物的ストレス応答の制御 に関与していることが示唆された。

結論
本研究では、細胞の Fe ホメオスタシスに重要な役割を果たす MIT 遺伝子について、いくつかのバイオインフォマティクス ツールを用いて、タンパク質および遺伝子レベルで検討した。
その結果、MIT タンパク質の立体構造は高度に保存されていることが判明した。
本研究で行った発現解析の結果、StMIT 遺伝子の発現は、乾燥および塩ストレスに応答して、根および葉の組織で影響を受けており、StMIT が乾燥および塩ストレスに応答して活性な役割を果たすことが示唆された。
本成果は、植物のストレス環境下における MIT 遺伝子の発現プロファイルを明らかにした、 初めての研究である。
本成果は、MIT 遺伝子がジャガイモをはじめとする植物において重要な分子要素であること、そして生物的ストレス条件下で大規模な相互作用ネットワークを形成していることを示すものである。
　
　　
以下図の説明。
　　
図6
StMITのクエン酸リガンドおよび鉄と相互作用する残基。
StMITは白い表面で、クエン酸および鉄はスレートブルーの円の内側で示されている（パネル（a）、（b））。
相互作用する残基はビオラで、鉄は赤で、クエン酸は冷たい紫で示した。水素結合はパネル(c)では緑で示されている。


図7
ジャガイモの葉と根におけるH2O2 (μmol g- 1 FW)濃度に対する干ばつと塩分の影響。
ヒストグラムは、6生物学的および4技術的連数の平均を表す。
結果はStudentのt-testを用いて統計的に解析した。
エラーバーは標準誤差を示す。
アスタリスクは統計的有意性を表す（*P < 0.05 および **P < 0.01）。


図8
干ばつおよび塩害ストレス下におけるジャガイモのStMITの発現プロファイル。
ヒストグラムは、6生物学的および4技術的連数の平均値を表す。
結果はStudent's t-testを用いて統計的に解析した。
エラーバーは標準誤差を示す。
アスタリスクは統計的有意性を表す（*P < 0.05および**P < 0.01)

Fig.6

Fig.7

Fig.8