転写因子の新たな役割：植物発生を制御するSTARTドメインの秘密

興味深いことに、HD-ZIPIIIファミリーの転写因子は、同じ遺伝子セットを共有し、同じ道具（タンパク質複合体など）を使用できるにもかかわらず、それぞれ独自の方法でこれらを解釈し、使用します。例えば、CORONA（CNA）やPHABULOSA（PHB）といった転写因子は、類似した機能を持ちながらも、異なる発生的な結果をもたらします。

「では、最も重要な疑問は何かというと、『なぜ異なる機能的結果が生じるのか？』ということです」とハズバンズ博士は語ります。

STARTドメインが異なる機能を生み出す仕組み

2024年11月14日に『Nature Communications』誌に掲載されたオープンアクセス論文「START Domains Generate Paralog-Specific Regulons from a Single Network Architecture（STARTドメインは単一のネットワーク構造からパラログ特異的な制御群を生成する）」において、ハズバンズ博士らは、ほぼ同一のパラログ（遺伝子重複によって生じた類似遺伝子）である PHB と CNA に着目し、機能的な違いが生まれるメカニズムを解明しました。

「我々の研究で明らかになったのは、この2つの転写因子が同じDNA領域に結合するにもかかわらず、異なる遺伝子を制御し、それによって異なる発生的結果を生じさせるということです」とハズバンズ博士は説明します。「この驚くべき発見の鍵となるのが、STARTドメイン—a TF 内の脂質結合領域—です。我々はこれを、設計図の解釈を左右する現場監督の意思決定ツールに例えています。」

研究チームは、PHB と CNA の STARTドメインを入れ替えることで、その機能が変化し、発生指令が書き換えられることを実証しました。

「この研究がもたらす影響は、植物生物学の枠を超えます」と、論文の筆頭著者であるアシュトン・ホルブ博士（Ashton Holub, PhD）は述べています。彼はハズバンズ研究室の元ポスドク研究員であり、現在はナイションワイド小児病院（Nationwide Children’s Hospital）の研究員です。「合成生物学や遺伝子治療において、転写因子のオフターゲット効果（標的外作用）が予期せぬ副作用を引き起こす可能性があります。したがって、STARTドメインのようなメカニズムを理解し、それを操作できるようになれば、将来的に遺伝的ツールの精度を高め、副作用を最小限に抑えることができるかもしれません。」

CNA と PHB の働きとその検証

研究チームはまず、CNA と PHB の機能的な違いを調べるために、定量PCR（qPCR）を用いて RNA 分子の量を測定し、遺伝子発現レベルを解析しました。最初に、過去の研究や文献の知見を基に、CNA と PHB が制御すると予測される2つの標的遺伝子を調査しました。

しかし、ホルブ博士によると、qPCRの結果は予想外のものでした。DNA 結合部位を特定する一つの手法（ChIP-qPCR）では、CNA と PHB が同じ標的部位に結合していることが確認されましたが、転写活性への影響を調べる別の手法（RT-qPCR）では、すべての結合部位で遺伝子発現が変化するわけではないことが判明しました。「結合は確認されたのに、遺伝子発現が変化しない部位があったのです」とホルブ博士は説明します。「この結果を受け、私たちは視野を広げ、ゲノム全体を網羅的に解析する必要があると考えました。」

この矛盾を解明するために、研究チームは ChIP-seq（クロマチン免疫沈降とシーケンシングを組み合わせた手法）を用いて CNA と PHB のゲノム全体の結合部位をマッピングしました。さらに、RNA-seq（トランスクリプトーム解析）を実施し、ゲノム全体での遺伝子発現の変化を測定しました。これらの手法の組み合わせにより、研究者らは CNA と PHB がどこに結合しているかだけでなく、それによってどの遺伝子が活性化または抑制されるのかを明らかにすることができました。

ホルブ博士は、「qPCR によって異常な結果を発見し、ChIP-seq と RNA-seq によってその全体像を解明しました」と述べています。

続けます。

STARTドメイン：転写因子の意思決定ツール

研究の結果、CNA と PHB の機能的違いを決定する鍵は、両者の STARTドメインにあることが明らかになりました。STARTドメインは脂質結合部位であり、転写因子に特定の転写調節機能を付与する役割を担っています。

「この転写因子群には STARTドメインが存在するのですが、同様のドメインは生物界全体のさまざまなタンパク質にも見られます」とハズバンズ博士は説明します。「これらのドメインは、発生、ストレス応答、さらには疾患にも関与しています。我々は、CNA と PHB において STARTドメインが異なる機能を担っている可能性があると考えました。」

この仮説を検証するために、研究チームは CNA の STARTドメインを PHB のものと入れ替えたキメラタンパク質を作製しました。さらには、進化的に数億年も離れた種の STARTドメインと置換する実験も行いました。

「実験の結果、STARTドメインこそが機能の決定要因であることが確認されました」と、研究に参加したサラ・チャウドリー博士（Sarah Choudury, PhD）は述べています。「転写因子がどこに結合するかではなく、結合した遺伝子をどのように制御するかが、STARTドメインによって決定されていたのです。」

研究チームはさらに、STARTドメインの削除、変異導入、交換実験を行い、この小さな領域が遺伝子のオン・オフを決める「意思決定ツール」として機能していることを突き止めました。わずかな変異でも大きな影響を与えることが示され、遺伝子発現の多様性を生み出す重要な仕組みの一つであることが分かりました。

「STARTドメインが、一つの結合ネットワークから多様な転写プログラムを生み出していることを考えると、『一つから多くへ（Out of one, many）』という表現がぴったりだと感じました」とハズバンズ博士は語ります。

研究チームは現在、このメカニズムが他の転写因子ファミリーでも同様に機能するのか、さらには、モデル植物であるシロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）以外の生物種にも適用できるのかを検討しています。

「進化全体にわたって、このような差異的制御が一般的な特徴なのかを調べています」とホルブ博士は述べます。「もし植物でこの現象が見られるのであれば、動物でも同様のメカニズムが働いている可能性があります。」

研究チームは、STARTドメインが細胞内の他の構成要素とどのように相互作用し、遺伝子制御に影響を与えるのか、さらに詳細なメカニズムの解明を進めています。「まだ分からないことがたくさんあります」とチャウドリー博士は言います。「STARTドメインを持たない転写因子には、代わりにどのような仕組みがあるのでしょうか？また、これらのドメインはどのようにして環境の変化を感知し、応答するのでしょうか？」

著者情報

• アマン・ハズバンズ博士（Aman Husbands, PhD）：ペンシルベニア大学芸術科学部 生物学科の Mitchell J. Blutt and Margo Krody Blutt Presidential Assistant Professor of Biology（特別助教授）。
• アシュトン・ホルブ博士（Ashton Holub, PhD）：ペンシルベニア大学芸術科学部 ハズバンズ研究室の元ポスドク研究員。現在はナイションワイド小児病院の研究員。
• サラ・チャウドリー博士（Sarah Choudury, PhD）：ペンシルベニア大学芸術科学部 ハズバンズ研究室のポスドク研究員。
• その他の著者：リカルド・ウルキディ・カマチョ（Ricardo Urquidi Camacho）、コートニー・E・ドレスデン（Courtney E. Dresden）（ペンシルベニア大学芸術科学部）、エカテリーナ・P・アンドリアノワ（Ekaterina P. Andrianova）、イゴール・B・ジュリン（Igor B. Zhulin）（オハイオ州立大学）。

画像：シロイヌナズナHD-ZIPIII三重変異体は、生育阻害や花構造の奇形など、深刻な発育障害を示す。CORONA（CNA）遺伝子の機能的コピーを導入すると、植物の正常な野生型の外観が回復するが、CANのSTARTドメインを欠損させたバージョンでは回復しない。このことは、CNA転写因子の機能において、STARTドメインが不可欠な役割を果たしていることを強調している。(CREDIT：Sarah Chourdury） 

[News release] [Nature Communications article]