OsbHLH061はTOPLESS/TOPLESS-RELATEDリプレッサーとPOSITIVE REGULATOR OF IRON HOMEOSTASIS 1を結びつけ、イネの鉄ホメオスタシスを維持する
OsbHLH061はTOPLESS/TOPLESS-RELATEDリプレッサーとPOSITIVE REGULATOR OF IRON HOMEOSTASIS 1を結びつけ、イネの鉄ホメオスタシスを維持する。
OsbHLH061 links TOPLESS/TOPLESS-RELATED repressor proteins with POSITIVE REGULATOR OF IRON HOMEOSTASIS 1 to maintain iron homeostasis in rice
Wujian Wang,Jun Ye,Heng Xu,Xi Liu,Yue Fu,Hui Zhang,Hatem Rouached,James Whelan,Zhenguo Shen,Luqing Zheng
First published: 15 March 2022
New Phytologist
https://doi.org/10.1111/nph.18096
(要旨)
鉄は過剰に摂取すると毒性を示すため、この必須微量栄養素の摂取を厳密に制御する必要があります。これまでの研究で、Oryza sativa（イネ）のPOSITIVE REGULATOR OF IRON HOMEOSTASIS1 (OsPRI1) が鉄関連転写因子2 (OsIRO2) および OsIRO3 の上流で、根から茎への鉄輸送を正に制御することが明らかにされている。しかし、OsPRI1 の発現は構成的であるため、鉄が十分にあるときにどのようにして鉄欠乏反応をオフにして毒性を防いでいるのかは不明であった。
bHLH転写因子OsbHLH061はOsPRI1と相互作用する。本研究では、分子、遺伝学、生化学、生理学的アプローチにより、OsbHLH061の機能的特徴を明らかにし、それがどのように鉄のホメオスタシスに影響を与えるかを調べた。
OsbHLH061 のノックアウトあるいは過剰発現株は、それぞれシュートにおける鉄の蓄積を増加あるいは 減少させた。OsbHLH061 の発現は高濃度鉄で上昇し、OsPRI1 と物理的に相互作用する。OsbHLH061-OsPRI1 複合体は TOPLESS/TOPLESS-RELATED (OsTPL/TPR) 共リプレッサーを動員して OsIRO2 と OsIRO3 の発現を抑制する。この転写抑制活性には、OsbHLH061エチレン応答性エレメント結合因子関連両親媒性抑制（EAR）モチーフが必要であることがわかった。
これらの結果は、OsTPL/TPR-OsbHLH061-OsPRI1-OsIRO2/3モジュールが、植物の鉄の長距離輸送を負に制御し、鉄環境の変化への適応とイネの鉄のホメオスタシス維持に機能していることを明らかにするものであった。
(まえがき)(一部訳)
イネでは、Strategy II の鉄の取り込みに関わる遺伝子のアップレギュレーションは、直接的には鉄関連転写因子2(OsIRO2)とイネ由来の
OsbHLH156/Oryza sativa FER-LIKE Fe DEFICIENCY-INDUCED RANSCRIPTION
FACTOR (OsFIT) の2つのBHLH TFが制御する。
これら 2 つの TF は、鉄欠乏誘導遺伝子の正のレギュレーターである。一方、bHLH TF である OsIRO3 は、鉄欠乏によって誘導される Strategy II 遺伝子（および OsIRT1 や OsIRT2 などのイネの鉄（II）取り込みに直接関与する Strategy I 遺伝子にとって重要な遺伝子）に対して負の制御を行っている。
鉄欠乏により、OsIRO2（正の調節因子）および OsIRO3（負の調節因子）の転写量が増加するが、これは bHLH TF ファミリー（サブグループ IVc）、すなわち POSITIVE REGULATOR OF IRON HOMEOSTASIS (OsPRI1/OsbHLH060, OsPRI2/OsbHLH058, OsPRI3/OsbHLH059) により媒介される。
ABI3/VP1およびNACファミリーに属する他の2つのTF、IDEF1およびIDEF2（iron deficiency-responsive element-binding factor 1 and 2）も鉄の恒常性の制御に不可欠な役割を担っている。
OsIDEF1はOsIRO2の上流で鉄欠乏応答遺伝子の発現を正に制御し、OsIDEF2は鉄の恒常性に関わるいくつかの遺伝子、OsYSL2などのプロモーターに結合して鉄輸送を制御する。
イネでは、OsPRIは鉄結合センサーであるHEMERYTHRIN MOTIF-CONTAINING REALLY INTERESTING NEW GENE (RING) AND ZINC-FINGER PROTEINs (OsHRZ1 and/or OsHRZ2) と相互作用してユビキチン化・分解されている。
このように、イネでは、OsHRZ1/2（センサー）、OsPRI1/2/3（構成的正制御因子）、OsIRO2/3（鉄欠乏誘導性正負制御因子）からなる制御枠組みが提唱されている。
鉄の恒常性がどのように維持されているかは不明であるが、OsPRI1/2/3 が構成的に発現し、OsIRO2（正制御因子）と OsIRO3 （負制御因子）を誘導する。
そこで、我々は様々なアプローチにより、bHLH TF の一種である OsbHLH061 が、茎への鉄の蓄積を決定する重要な因 子であることを突き止めた。
OsbHLH061 は OsPRI1 と相互作用し、OsTPL/TPR コ・リプレッサーを動員して EAR (ethylene-responsive element binding factor-associated amphiphilic repression) モチーフを介して OsIRO2 および OsIRO3 の発現を抑制することが明らかになり、この転写抑制活性の原因となることが示された。
OsPRI1 の発現は鉄の状態に依存しないが、鉄の利用が制限されると OsbHLH061 の発現が減少し、 OsTPL/TPR コアプレッサーの抑制は OsbHLH061 タンパク質の欠如により消失または大きく減弱した。
そして、恒常的に発現しているOsPRI1は、OsIRO2およびOsIRO3の発現を正に制御し、根から茎への鉄の輸送を増加させることができる。OsbHLH061を遺伝子操作で不活性化すると、シュートへの鉄の蓄積が増加し、過剰発現させると減少する。
本研究により、イネの鉄の茎葉部への移動と蓄積を負に制御する機能モジュールの主要な構成要素が明らかになり、イネの鉄のホメオスタシスを維持する正（OsPRI1/2/3）と負（OsbHLH061）の制御ループの仕組みが明らかになった。
（図8の説明）
OsbHLH061の鉄のホメオスタシス制御におけるワーキングモデル。
イネでは、OsbHLH061の発現は鉄の利用可能量によって制御されている。
鉄の利用率が高条件下（右図）では、OsbHLH061の発現量とそのタンパク質レベルが高いことがわかった。 OsbHLH061は、転写抑制因子OsTPL/TPRをリクルートして、 EARモチーフを介した転写制御複合体を形成する。
この転写抑制因子複合体は、EARモチーフを介して OsPRI1と相互作用することにより、OsIRO2およびOsIRO3（代表2種）のプロモーターに作用する。これらのプロモーター領域に直接結合して転写を抑制するか、あるいはOsPRI1 がOsIRO2、OsIRO3のE-boxに結合するのを阻止して地上部への鉄過剰集積を防ぐ。
低鉄分条件下（左図）では、OsbHLH061の転写量が減少しているために、OsbHLH061タンパク質レベルが減少する。 OsbHLH061の量が減少すると、OsIRO2やOsIRO3の転写レベルの抑制が解除され、鉄の取り込みに関するタンパクの遺伝子発現が促進される。
図8 OsbHLH061の鉄のホメオスタシス制御におけるワーキングモデル