論文）ジンクフィンガータンパク質による花芽形成の抑制

LEAFY and APETALA1 down-regulate ZINC FINGER PROTEIN 1 and 8 to release their repression on class B and C floral homeotic genes
Hu et al.  PNAS (2023) 120:e2221181120.
doi:10.1073/pnas.2221181120

シロイヌナズナC2H2ジンクフィンガータンパク質（ZFP）のArabidopsis ZINC FINGER PROTEIN 1（ZP1）は、EARモチーフを含む転写抑制因子で、根毛の発生と伸長に対して抑制的に作用することが知られている、しかしながら、ZP1の地上部での役割は不明である。米国 サウスカロライナ大学のXu らは、ZP1 遺伝子プロモーター領域にGUS を融合したコンストラクト用いた解析から、ZP1 は栄養成長期の葉で高発現し、花や果実では発現が低下することを見出した。そこで、ZP1の地上部での役割を調査するために、T-DNA挿入zp1 変異体を観察したが、表現型は野生型と同等であった。一方で、ZP1 過剰発現系統は長日条件下で花成しなかった。ZP1の属するC1-1i型ZFPファミリーは、シロイヌナズナに32種類あり、RNA-seq解析から、ZFP4、ZFP7、ZFP8 がZP1 と同じように4週目の花序で発現量が減少していた。花芽形成は、花芽分裂組織決定遺伝子のLEAFY（LFY）とAPETALA1（AP1）によって促進される。lfy-1 変異体では花のホメオティック遺伝子であるAPETALA 3（AP3）、PISTILLATA（PI）、AGAMOUS（AG）、SEPALLATA 3（SEP3）の発現が減少するが、ZP1、ZFP4、ZFP8 の発現量は増加していた。ap1-10 変異体ではAP3、PI、SEP3 の発現量は野生型植物と同等だったが、ZP1、ZFP4、ZFP8 の発現量は増加していた。ZP1、ZFP8 は、茎頂分裂組織や葉原基で発現し、発達初期の花芽分裂組織ではごくわずかの発現が検出されるのみであるが、lfy-1 変異体やap1-10 変異体の花芽分裂組織では高い発現が見られた。これらの結果から、ZP1 とZFP8 は栄養成長組織で高発現しており、花芽分裂組織ではLFYとAP1によって発現抑制されていると考えられる。クロマチン免疫沈降qPCR（ChIP-qPCR）解析の結果、LFYとAP1はZP1 およびZFP8 遺伝子のプロモーター領域に直接結合することが確認された。LFY 遺伝子およびAP1 遺伝子のプロモーター制御下でZP1、ZFP4、ZFP7、ZFP8 を発現させたところ、ZP1 およびZFP8 を発現させた系統では花弁、雄ずい、心皮に異常が見られ、クラスB、クラスC遺伝子の活性が欠けたような花を形成し、実際にクラスB遺伝子のAP3 、PI、クラスC遺伝子AG の発現量が減少していた。また、AP1 の発現量が増加しており、LFY の発現量はLFY::ZP1、AP1::ZFP8 系統で僅かに減少していた。これらの結果から、LFY およびAP1 の発現部位でのZP1 とZFP8 の発現低下は、AP3、PI、AG の発現上昇と、花弁、雄しべ、心皮の適切な発達に不可欠であると考えられる。ap1-10 変異体やlfy-1 変異体は花弁の無い花をつけることがあるが、zp1 変異、zfp8 変異が導入されることによって花弁形成異常が回復し、zp1 zfp8 二重変異はさらに回復効果を強めた。野生型植物とzp1 zfp8 二重変異体の花芽分裂組織ではAP3、PI、AG が発現していたが、lfy-1 変異体では検出されなかった。しかし、lfy-1 zp1 zfp8 三重変異体の花芽分裂組織ではAP3、PI の発現が部分的回復し、AG の発現も検出された。これらの結果から、LFYとAP1は直接的、間接的にAP3、PI、AG の発現活性化を促進し、間接的な経路ではZP1、ZFP8、その他の因子による冗長な作用が関与していることが示唆される。ZP1 やZFP8 は栄養成長組織で高い発現を示すが、そのような組織でAP3、PI、AG の発現は殆ど検出されない。しかし、zp1 zfp8 二重変異体の葉原基の幾つかの細胞で発現が検出された。解析の結果、ZP1は栄養成長組織においてAP3、PI、AG 遺伝子に結合して発現を抑制していることが判った。以上の結果から、ZP1とZFP8は（おそらく他のジンクフィンガータンパク質とともに）冗長的に機能し、栄養成長組織でのAP3、PI、AG の発現を抑制していると考えられる。LFYとAP1が花芽分裂組織で活性化されると、ZP1 とZFP8 は発現を低下させ、AP3、PI、AG の発現抑制が解除される。よって、LFYとAP1は、AP3、PI、AG の発現抑制解除と並行して、AP3、PI、AG を直接活性化しており、花成誘導後の花器官形成を強固にしていると考えられる。