植物細胞生理学 （第６回 １１ / １７） 細胞死と生体防御

1. 植物細胞生理学　（第６回　１１/１７） 細胞死と生体防御

2. 植物細胞の生体防御反応 菌由来＆植物由来 細胞壁分解物（エリシター）：最初のシグナル ＰＲタンパク ファイトアレキシン（抗菌物質） 過敏感反応　ＨＲ （細胞死） 全身シグナル 全身抵抗性 [Ca2+] cyt の変動 [pH] cytの変動 タンパク質リン酸化 H202の発生 脂肪酸の遊離 菌 サリチル酸（SA) 植物細胞 　　感染性の菌／ウイルスのサプレッサー RNAi 細胞死 （ＤＮＡの転写） ＜外来＞ＲＮＡの増幅 ウイルス 　媒介（菌、昆虫） ＜無媒介の場合も＞

3. 病原抵抗/過敏感反応でのシグナル伝達　（既出）病原抵抗/過敏感反応でのシグナル伝達　（既出）

4. RNAi (RNA interferance)のメカニズム ウイルスゲノム 二本鎖 DNA ＋鎖 一本鎖 －鎖 二本鎖 RNA ＋鎖 一本鎖 －鎖 RISC: RNA induced silencing complex 用語 siRNA: short-interfering RNA （21-23塩基対、２本鎖、植物） miRNA: micro RNA　（20-25塩基、１本鎖、動物） shRNA: small hairpin RNA

5. ストレス応答とその情報伝達は、 古典的な遺伝子応答だけでない Epigenetic regulation of stress responses in plantsCurrent Opinion in Plant Biology, 12:133-139 (2009)V. Chinnusamy, J-K Zhu

6. 形質転換＋細胞がもつRNAi機能を使って、内在のRNA量を低下させることができる形質転換＋細胞がもつRNAi機能を使って、内在のRNA量を低下させることができる Silicon transporter in rice. Nature 440:688-691 (2006) Ma, J.F., Tamai, K., Yamaji, N., Mitani, N., Konishi, S., Ishiguro, M., Katsuhara, M., Murata, Y., Yano, M.

7. 「科学」68:223(1998） ｢細胞の持つ自殺機構 アポトーシスを制御する」 (辻本)を改変 核 自爆装置 “オフ” 病理的刺激 (ストレス) 組織の恒常性の維持 生理的細胞死 シグナル 核 有害細胞の除去 自爆装置 “オン” 形態形成 疾患(障害) ストレス 紫外線（UV) 毒物（農薬・・・） 病原菌 ・・・・ アポトーシス（≈プログラム細胞死）

8. 細胞死誘導物質 　　　　 誘導遺伝子 　　　　　　　 細胞死 障害としての細胞死 抵抗反応としての（必要な）細胞死：HR 形態形成に必須の細胞死 ・・・・ 細胞死抑制遺伝子 （BI-1など) • アポトーシス１９７２年、形態的にネクローシス（受動的な細胞の崩壊：壊死）とは異なる動物細胞の死として提唱された。核の構造変化（核DNAの分解）、細胞の縮小・断片化、アポトーシス小体、急速、貪食除去（死細胞に目印） • プログラム細胞死（PCD)発生プログラムに従った、遺伝子や酵素の発現・活性調節を伴った生理的細胞死。シグナル伝達系が関与。 • 植物の場合核とDNA、膜の構造変化はおこるが、動物のアポトーシスに特有な形態変化の多くは見られない。 PCDにつながる細胞内シグナル伝達がある。機能は、かなり動物と共通。遺伝子は、大部分が異なる。

9. もともとの動物細胞での、形態的特徴に基づいたアポトーシスの定義もともとの動物細胞での、形態的特徴に基づいたアポトーシスの定義

10. 細胞死：植物体の場合 Figure 1. Sites of PCD in a Vascular Plant. The orange spheres represent internal dead cells, and the branched structures on the leaves represent trichomes. Programmed Cell Death in Plants. The Plant Cell, 9:1157-1168, 1997

11. Figure 4. Functions of PCD in Plants. (A) to (D) Deletion of cells with temporary functions. These include deletion of suspensor cells in embryos ([A] and [B]) and of aleurone cells in seeds ([C] and [D]). (E) to (H) Deletion of unwanted cells. These include stamen primordia cells in unisexual flowers ([E] and [F]) and root cap cells ([G] and [H]). (I) and (J) Deletion of cells during sculpting of the plant body (I) and deletion of leaf cells during leaf lobing (J). (K) and (L) Deletion of cells during cell specialization in TEs. (M) to (P) Deletion of cells during plant interactions with pathogens. These include cells in an HR ([M] and [N]) and cells in uninfected leaves in response to HR-derived signals ([O] and [P]). The red regions represent cells that have been targeted for PCD, and the orange regions represent cells that have died by PCD. Programmed Cell Death in Plants. The Plant Cell, 9:1157-1168, 1997

12. オオムギ根での細胞死 プログラム細胞死 　道管の形成 　破生間隙の形成 塩ストレスによる細胞死（ただし全体的）の誘発 （注：　イネでは塩ストレスで派生間隙形成が抑制）

13. 中程度（オオムギでは200 mM NaCl）の塩ストレスによる根の伸長成長の停止 • 細胞は死んでいない • 膨圧の減少による伸長する力の消失 • 伸長域での形態異常→細胞壁の問題？ • 細胞壁微小管は正常に存在するらしい

14. 高濃度の塩ストレスによる根の伸長の停止（オオムギでは > 300 mM NaCl） 細胞核の崩壊を伴う細胞死（核はDAPIで染色） • コントロール(上) • 500mMNaCl処理12時間(中) • 500mMNaCl処理24時間(下)

15. Nuclear DNA degradation

16. X (fluorescein) TdT nick U DNA TUNELTdT-mediated dUTP nick end labelingTdT: terminal deoxynucleotidyl transferase（ＤＮＡ分解の初期反応の検出） DAPI TUNEL Control Stress 1h

17. control heat killing (1h) (3h) (70ºC 10min) 300mM NaCl 細胞死の目印：フォスファチジルセリン（PS)の非局在化 AnnexinVと (PS)の結合を利用した細胞膜構造変化の検出 オオムギ根

18. Protoplast in 0.7M manitol for 2 h (control) Salt stress for 2 h, then 72ºC for 10 min (heat killing) Salt stress with 300mM NaCl for 2 h (isotonic to control with additional manitol) プロトプラストでは、ＰＣＤ反応はおこらない？

19. オオムギ根細胞：塩ストレス処理２時間後に液胞膜が崩壊しているオオムギ根細胞：塩ストレス処理２時間後に液胞膜が崩壊している

20. A model of “point-of-no-return” vａｃｕｏｌｅ protease nuclease Death signal nuclear DNA VPEというproteinaseが重要らしい（VPE: Vacuolar Processing Enzyme） (Hatsugai et al. Science 305:855, 2004) 他の”Point-of-no-return”候補：　 （最後の）葉緑体 or ミトコンドリア or リボゾームの消失

21. N. benthamiana plants were infected with TMV on halves of their leaves (indicated by asterisks). (Hatsugai et al. Science 305:855, 2004のFig.2より) Non-silenced (pPVX) ↓　←　ＴＭＶ感染ＨＲ（TNV封じ込め） VPE-silenced (pPVX: VPE) ↓　←　ＴＭＶ感染ＨＲおこらず（→全身感染へ） 京都大学大学院理学研究科　西村いくこ　研究室 http://www.jst.go.jp/kisoken/seika/zensen/08nishimura/index.html

22. 細菌の感染後に細胞内の液胞の膜と細胞膜とが融合し、細胞の中と外がつながるトンネルが形成される細菌の感染後に細胞内の液胞の膜と細胞膜とが融合し、細胞の中と外がつながるトンネルが形成される 細菌感染に応答して誘導される膜融合（トンネル形成）とそれによる抗菌物質の放出と過敏感細胞死のモデル 京都大学大学院理学研究科　西村いくこ　研究室 http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2009/091015_1.htm 植物が本来もつ自己防衛能力を強化させる技術 細胞死の研究 ストレス誘導性細胞死の抑制／制御技術

23. 植物細胞がもっている細胞死抑制因子：BI (Bax inhibitor) 動物細胞由来の細胞死誘導遺伝子 動物ホルモンDEX応答性のプロモーターの支配下にBax遺伝子等を入れて形質転換 Figure 9. Scheme of the Role of the BI-1 Protein in the ROS-InducedCell Death Pathway. ROS cause mitochondrial permeability transition, ATP depletion, releaseof cytochrome c from the mitochondrial membranes, and lipid peroxidation,which cause ion leakage and cell death. BI-1 proteins,as components of the ER membrane, are involved in counteracting　“oxidative stress.” Dissection of Arabidopsis Bax Inhibitor-1 Suppressing Bax–, Hydrogen Peroxide–, and Salicylic Acid–Induced Cell Death. Kawai-Yamada et al. The Plant Cell, 16:21–32, 2004 Figure 2. Suppression of Ion Leakage from Detached Leaves of Transgenic Arabidopsis Expressing Both Bax and AtBI-1. その他のポトーシス抑制因子 IAP (inhibitor of apoptpsis protein) ILP (IAP like protein )　・・・植物はこちらのみ