ナツメヤシ由来の本質的に無秩序な LEA2 タンパク質の酵素安定化および耐熱性機能

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11878 (2023) この記事を引用

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ナツメヤシには、LEA2 遺伝子が豊富にあり、62 個のメンバーがあり、ほぼすべてが遍在しています。 しかし、その機能や潜在的な標的分子との相互作用はほとんど解明されていません。 この研究では、5 つのナツメヤシ LEA2 遺伝子、PdLEA2.2、PdLEA2.3、PdLEA2.4、PdLEA2.6、および PdLEA2.7 がクローニングされ、配列決定され、そのうちの 3 つ、PdLEA2.2、PdLEA2.3、および PdLEA2 .4 は、in vitro での 2 つの異なる酵素、乳酸デヒドロゲナーゼ (LDH) と β-グルコシダーゼ (bglG) の熱安定性に対する影響について機能的に特徴付けられました。 全体として、PdLEA2.3 および PdLEA2.4 は中程度の親水性であり、PdLEA2.7 はわずかに疎水性であり、PdLEA2.2 および PdLEA2.6 はどちらでもありませんでした。 配列および構造の予測により、PdLEA2.2、PdLEA2.4、PdLEA2.6、および PdLEA2.7 において膜貫通ヘリックスを形成する可能性がある、N 末端付近に一連の疎水性残基が存在することが示されました。 膜貫通ヘリックスに加えて、二次および三次構造の予測により、すべての PdLEA2 タンパク質に無秩序な領域とそれに続く積み重ねられた β シート領域の存在が示されました。 さらに、3 つの精製組換え PdLEA2 タンパク質が in vitro で生成され、LDH 酵素反応におけるそれらの存在により活性が強化され、熱ストレス下での LDH の凝集体形成が減少しました。 bglG 酵素アッセイでは、PdLEA2 タンパク質は bglG 酵素活性を保存および安定化する能力をさらに示しました。

植物は、不利な気候条件の影響に対抗するために複雑な制御経路を進化させてきました。 非生物的ストレス耐性を改善するメカニズムは、さまざまな植物の生理学的プロセスおよびシグナル伝達経路を直接機能および制御するタンパク質分子に大きく依存しています。 後期胚発生多量（LEA）タンパク質遺伝子ファミリーは、非生物的ストレス条件下で植物細胞の損傷を保護し、軽減する機能性タンパク質のグループです1。 これらのタンパク質は構造が乱れており、反復モチーフが特徴です 2。 保存されたアミノ酸配列モチーフに基づいて、LEA タンパク質は 8 つの異なるグループに分類され、植物では LEA2 タンパク質が最も優勢なグループです。 主に、LEA2 タンパク質は Gossypium hirsutum の成熟種子に大量に見出され 3、開花植物および非開花植物で遍在的に発現されていました 4。 これらは主に種子発育の後期段階と、環境制約に対する植物の反応のための栄養組織に蓄積します5。 LEA2 タンパク質は非常に親水性が高く、周囲の微小環境の変化に応じて構造を変化させることができる本質的に無秩序なタンパク質 (IDP) として特徴付けられます6。 LEA2 タンパク質サブファミリーの中で、デヒドリン (DHN) はよく知られた生化学グループであり、主に高い割合の荷電極性アミノ酸と、低割合の疎水性非極性残基で構成されています。

LEA2 タンパク質は、非生物的ストレス耐性を向上させる植物の生理学的反応に広く関与しています。 コムギにおける Triticum aestivum L.、TaLEA2-1 の過剰発現は、野生型実生と比較して根の成長と草丈を高め、より高いカタラーゼ活性をもたらしました。 TaLEA2-1 は、TaLEA2-1 トランスジェニック小麦植物の塩分耐性を改善しました5。 さらに、最近の研究では、Populus trichocarpa の LEA2 遺伝子 PtrDHN-3 が塩分および乾燥ストレス耐性に重要な役割を果たしていることが判明しました8。 PtrDHN-3 の過剰発現により、トランスジェニック酵母の耐塩性が向上し、塩ストレス下でトランスジェニック シロイヌナズナ植物の発芽率、新鮮重量、およびクロロフィル含量が改善されることが観察されました 8。 さらに、ワタ LEA2 遺伝子で形質転換されたシロイヌナズナ植物は、野生型と比較して乾燥ストレス下でより高い成長を示しました9。 さらに、トウモロコシではKS型DHN遺伝子であるZmDHN13が単離され、トランスジェニックタバコ植物でのその過剰発現により酸化ストレス耐性が強化された10。 別の研究では、形質転換タバコおよび大腸菌におけるサクラソウ LEA2 遺伝子の過剰発現により、寒冷ストレス耐性が向上しました 11。 さらに、2 つのシロイヌナズナ DRE、AtDREB1A または AtDREB2A の過剰発現により、rd29A や COR4712 などの LEA2 タンパク質の低温ストレス連結遺伝子が誘導されました。 高地ワタ、G. hirsutum の LEA2 遺伝子の推定プロモーターで、いくつかの非生物的ストレス関連シス要素が見つかりました。 これには、非生物的ストレスにおいて機能的役割を果たすことが知られている MYBCORE、ABRELATERD1、ABRE 様配列、および ACGTATERD1 エレメントが含まれていました 13,14。 これらのストレス促進要素の存在は、厳しい気候下で生育する植物の非生物的ストレス耐性を強化する際の LEA2 タンパク質の役割を強力に裏付けています。