RNAヘリカーゼは鉄シグナル制御因子と協調してシロイヌナズナの寒冷ストレスを緩和する

この論文は小生の知るところでは寒冷ストレスと鉄との関係を明らかにした最初の論文ではないだろうか。寒冷ストレスの分子生物学的な複雑な知識がないために、残念ながら小生にはこの論文は未消化のままである。DEAD-box RNAヘリカーゼであるRH24を発見したことに新規性があるらしい。


RNAヘリカーゼは鉄シグナル制御因子と協調してシロイヌナズナの寒冷ストレスを緩和する

An　RNA　helicase coordinates with iron signal regulators to alleviate chilling stress in Arabidopsis

Yingying Xing, Yawen Li, Xinmeng Gui, Xianyu Zhang, Qian Hu, Qiqi Zhao, Yongli Qiao, Ning Xu & Jun Liu

Nature Communications volume 16, Article number: 3988 (2025)


要旨
寒冷ストレスは、植物の発育と成長を抑制する主要な環境ストレスのひとつである。我々の以前の研究では、シロイヌナズナ 植物において、潜在的な鉄センサーBTS（BRUTUS）が温度応答に関与していることが示された。しかし、植物の鉄ホメオスタシスが温度変動に対する植物の応答に関与しているかどうかは不明である。本研究では、BTS変異体bts-2が低温ストレスに感受性があり、その感受性は鉄の蓄積に起因することを発見した。bts-2のサプレッサースクリーニングの結果、bts-2の低温感受性を完全に抑制するDEAD-box RNAヘリカーゼであるRH24を発見した。RH24は低温下で蓄積し、鉄 制御因子ILR3（IAA-ロイシン耐性3）mRNAを巻き戻し、ILR3タンパク質 レベルを増加させる。興味深いことに、RH24はILR3を相分離した凝縮体中に封じ込め、ILR3が介在する鉄過剰負荷を軽減する。さらにBTSまたは低温処理により、凝縮体の形成が促進された。したがって、RH24とBTSは協調的にILR3を制御し、冷温ストレス下での鉄の取り込みを抑制する。我々の発見は、RNAヘリカーゼRH24とBTSが、温度変動に対応して植物の鉄 ホメオスタシスを維持するために、ILR3を微調整していることを明らかにした。


はじめに
寒冷ストレスは主要な環境ストレスの一つとして、植物の成長、発育、地理的分布を抑制する。地球規模の気候変動により、極端な低温現象が頻繁に発生し、農業に莫大な経済的損失をもたらしている。低温感受性の植物にとって、低温ストレスは通常、生長および生殖の両段階における成長と発達を阻害し、しばしば成長の阻害、発芽の低下、葉のクロロシス、さらには植物の最終的な枯死を伴う。低温下で生き残るために、植物は低温によるストレスを改善する複雑な調節機構を進化させてきた。

低温ストレスは、細胞膜の流動性を低下させ、酸化還元状態を変化させ、光合成や酵素活性を阻害し、しばしば活性酸素種の蓄積や電解質漏出の上昇を引き起こすことが知られている。C-リピート結合因子（CBFs）遺伝子などの代表的な転写因子は、低温条件下で急速に誘導された。これらの誘導されたCBFsは、一連の下流の低温制御（COR）遺伝子を直接活性化し、結果として植物の耐冷性を高める植物の耐寒性においてCBFが重要な役割を果たしているにもかかわらず、CBFによって制御されているCOR遺伝子は全体の約10%にすぎない。実際、高次のcbfs変異体でさえ、依然としてかなりの低温耐性を有しており、CBFに依存しないシグナル伝達経路が植物の低温耐性の制御に関与していることが示唆されている。
転写因子に加えて、mRNAの転写後制御も植物の寒冷応答に関与している。RNAヘリカーゼは、mRNAの転写後制御を司る重要なタンパク質ファミリーの一つである。RNAヘリカーゼは、RNA巻き戻し活性とRNA折り畳み解除活性を介して、成熟RNAを正しい構造に形成することを確実にする酵素である。DEAD（Asp-Glu-Ala-Asp）ボックスRNAヘリカーゼは、RNAヘリカーゼファミリーの中で最も大きなクラスである。ヘリカーゼコアドメインには9つの保存されたモチーフがある。ヘリカーゼコアドメインはRNAとATPの結合に必要であり、mRNAを加水分解するのに必須である。さらに、DEAD-box RNAヘリカーゼはN末端とC末端に可変長配列を持ち、基質結合特異性を規定していると提唱されている。このように、それぞれのDEAD-box RNAヘリカーゼは、mRNAのスプライシング、輸送、翻訳、RNAプロセシングなど、RNA代謝においてユニークな役割を果たしている。
多くのDEAD-box RNAヘリカーゼが、植物の寒冷応答においてCBFに依存しない経路で働くことが報告されている。例えば、RH42/RCF1はプレmRNAの適切なスプライシングを維持し、植物の耐寒性を制御している。RH25は寒冷ストレスによって誘導され、RH25の過剰発現は植物の凍結耐性を高める。RH38はmRNAの輸送に重要な役割を果たし、植物の寒冷ストレス応答に関与している。RH7/PRH75は植物が寒冷ストレスにさらされると18S pre-rRNAのプロセシングに関与する。これらの証拠は、DEAD-box RNAヘリカーゼが低温ストレスへの適応において多様に植物を助けていることを示している。
鉄（Fe）は、ほとんどすべての生物にとって最も重要な微量元素である。クロロフィル生合成、呼吸、DNA複製、エネルギー生産など、多様な細胞プロセスにおける多くの重要な酵素の補酵素である。鉄の欠乏は、ヒトでは貧血を、植物ではクロロシスを引き起こすが、鉄の過剰摂取は、ヒドロキシルラジカルを生成してDNAを損傷し、タンパク質や脂質を過酸化するフェントン反応を誘発するため、有害である。鉄は重要であるため、環境ストレス下で鉄のホメオスタシスを維持することは、植物の生存にとって重要である。寒冷、鉄、塩ストレス下でのイネの比較トランスクリプトーム解析により、468の差次的発現遺伝子（DEG）が寒冷ストレスと鉄ストレスの両方で見つかった。FRO2（鉄還元オキシダーゼ2）は、鉄の取り込みのために鉄をFe3+からFe2+に還元する鉄キレート還元酵素であり、シロイヌナズナの根においてグリシンベタインが誘導する寒冷耐性に必要である。タバコでは、葉緑体にフェリチンが蓄積することで、低温による光阻害から植物を守っている。シロイヌナズナの根における鉄の蓄積増加は、リン酸（Pi）飢餓に伴う耐冷性にも必要である。低温は植物の光合成効率を低下させ、光化学系I（PSI）にダメージを与える。PSIシステムには鉄が含まれており、低温ストレスはPSI機能に影響を与えることで、鉄の恒常性に影響を与える可能性がある。これらの証拠は、鉄のホメオスタシスが植物の耐冷性に大きく関係していることを示唆している。とはいえ、植物がどのように鉄ホメオスタシスを調節して耐冷性を高めているのかは、依然として不明である。
潜在的な鉄センサータンパク質であるBRUTUS（BTS）は、鉄ホメオスタシスの重要な調節因子である。このタンパク質は、サブグループの塩基性ヘリックス-ループヘリックス（bHLH）転写因子ILR3（IAA-ロイシン耐性3）とbHLH11538の分解を促進することによって、鉄欠乏応答を制御している。鉄欠乏下ではILR3が活性化され、植物における鉄の取り込みと貯蔵を促進する。しかし、BTSはILR3を標的として分解し、植物が過剰な鉄を獲得するのを防ぐ。
われわれの以前の研究で、bts-2は温度に敏感であることが示された。本研究では、BTS変異体bts-2がなぜ低温に敏感なのかという疑問を解決し、植物の鉄過剰摂取が耐寒性を低下させることを見出した。我々は、bts-2の低温感受性と鉄ストレス耐性の表現型を完全に抑制できるDEAD-box RNAヘリカーゼ、RH24を発見した。RH24は冷温ストレス下で蓄積する。RH24はILR3 mRNAを巻き戻し、ILR3タンパク質レベルを増加させる。しかし、RH24とILR3は冷温ストレス下で相分離した凝縮体を形成し、BTSは凝縮体の形成を促進する。その結果、植物は鉄の取り込みを減少させる。我々は、RH24とBTSがILR3を介して鉄のホメオスタシスを正確に調節し、シロイヌナズナの冷温ストレスを緩和することを提唱する。


図1　 bts-2の低温感受性は鉄の蓄積と関連している。
a 4℃下における植物の鉄代謝経路の発現差遺伝子（DEG）。col-0およびbts-2植物を22℃で4週間生育させた後、4℃で24時間処理した。4週齢の植物の葉をトランスクリプトームアッセイ用にサンプリングした。実験は2回行った。
b 低温ストレス下でのbts-2植物の表現型。col-0およびbts-2植物を26℃で3週間生育させ、さらに22℃または4℃で7日間生育させた。矢印は枯れた葉を示す。植物は22℃の土壌で2週間生育させた後、26℃、22℃、8℃に移してさらに2週間生育させた。
ｃ 鉄濃度は乾燥重量ベースであり、4週齢の植物の葉をサンプリングして鉄元素分析を行った。各反復実験には約20株を用いた。
d 鉄の過剰供給はbts-2の低温感受性を増加させた。col-0およびbts-2植物を22℃の1/2MSで2週間生育させた後、10, 100, および300μMのFe(II)EDTAを添加したFe欠乏1/2MS培地（-Fe）に移植し、それぞれ22℃で1週間、8℃で2週間生育させた。10,100,300μMのFeは、それぞれFe欠乏、Fe充足、Fe過剰の条件に対応する。
e (d)のCol-0およびbts-2苗のクロロフィル濃度。クロロフィル濃度の測定には、各反復実験につき6株を採取して用いた。
デルタ値は、8℃におけるクロロフィル濃度の減少率を、22℃における鉄過剰（300μMFe）条件下と鉄過剰（100μMFe）条件下で比較したものである。

　　
図2|bts-r（bts-2のサプレッサー）は、低温での生育能力および欠損耐性が低下した。
a bts-r（bts-2のサプレッサー）は低温耐性を低下させた。Col-0、bts-2およびbts-rは22℃で4週間生育させた（上図）。
b bbts-rdは低温下でH2O2を蓄積しなかった。22℃で4週間生育させ、さらに2日間4℃に移した。葉はDABとトリパンブルーで染色した。
c bts-rwは不完全性に敏感である。これらの変異体は、100μMのFe(II)-EDTAを含む1/2MS培地で生育させた。300μMのフェロジンを1/2MS培地に7日間 投与し、鉄をキレートした（下図）。
d (c)の植物の根の長さの統計分析。
e 鉄欠乏下におけるbts-植物の表現型。 1/2MSを22°C で7日間生育させ、100μM Fe(II)-EDTA または300μMフェロジン(鉄欠乏)を含む1/2MS培地にそれぞれ5日間移した。
f クロロフィル濃度(e)...1株当たり6株を採取し、クロロフィル濃度測定に用いた。
Col-0、bts-2、bts-rの各プラントにおける鉄濃度。 鉄濃度の測定には、22℃の土壌で4週間生育させた植物の葉を用いた。

図７.f作業モデル：RH24はILR3のmRNAを巻き戻し、ILR3の蓄積を促進する。寒冷ストレス下では、RH24が蓄積され、核内にRH24-ILR3凝縮体を形成することでILR3を相分離体に封じ込める。BTSと寒冷ストレスはRH24-ILR3凝縮体の形成を促進する。その結果、ILR3が制御する鉄の取り込みは寒冷ストレス下にあり、その結果、鉄過負荷による損傷が減弱する。標準的な生育条件下では、BTSは遊離ILR3を微調整し、鉄ホメオスタシスを維持する。

図1.

図2.

図７.f.