植物のアスコルビン酸輸送体がついに同定された ―PHT4；4 による葉緑

トピックス
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〔ビタミン 89 巻
植物のアスコルビン酸輸送体がついに同定された
―PHT4；4 による葉緑体へのアスコルビン酸輸送―
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一般に植物の葉は，mM オーダーの高濃度でビタミ
のレドックス状態に影響しないこと 7），AtNAT を発現
ン C（還元型アスコルビン酸：AsA）を含んでおり，そ
した組換え体酵母は AsA 輸送活性を示さないこと 7），
の量はセルロースやデンプンを除いた可溶性糖質の約
AtNAT3 および AtNAT12 を発現した大腸菌は核酸塩基
10％にも相当する．オルガネラレベルでは葉緑体に多
（アデニン，グアニン，ウラシル）に対して輸送活性を
く存在しており，数十 mM オーダーに達する．植物の
示すが，AsA はこの輸送活性を阻害しないこと 8），な
AsA は，D-マンノース / L-ガラクトース経路により生合
どの事実から，AtNAT ファミリーが植物の AsA 輸送
成されるが，その最終段階はミトコンドリア内膜に局
体ではないことはほぼ明らかであり，動物とは異なる
在する L-ガラクトノ-1,4-ラクトン脱水素酵素の触媒反
輸送機構の存在が示唆されてきた．
応によることから，葉緑体への AsA 供給は能動的に行
こうした中 Miyaji ら 9）は，無機リン酸輸送体をコー
わなければならない．葉緑体の AsA 輸送機構に関する
ドする PHT ファミリー遺伝子の一つである PHT4；4 が，
知見は非常に限られており，これまでに唯一，Beck ら 1）
当該分野研究者が長い間追い求めてきた葉緑体型 AsA
によるホウレンソウの単離葉緑体を用いた 14C-AsA 取
輸送体であることを初めて明らかにした．PHT4 ファ
込み実験が報告されているのみである．それによると，
ミリー遺伝子は，Na＋/H＋ 依存性リン酸トランスポー
葉緑体の AsA 輸送活性は約 100μmol/mg chlorophyll/h
で あり，AsA に 対 す る Km 値 は 18 ∼ 40 mM で ある．
ターファミリー（SLC17）に属する．ほ乳類の SLC17
葉緑体以外にも，組織間における AsA 輸送機構の存在
てアスパラギン酸，グルタミン酸などの有機アニオン
2）
3）
14
ファミリーの中には，膜電位差（ǻȌ）と Cl− に依存し
も報告されている．Franceschi ら や Badejo ら は C-
に対する輸送体も存在することから，著者らはシロイ
AsA を用いたトレーサー実験により，シロイヌナズナ，
ヌナズナの PHT4 ファミリーの中にも同様の性質を有
アルファルファ，トマトなどの葉に与えた AsA が師部
し，アスコルビン酸に対する輸送体が存在するのでは
に蓄積し，根の先端，花，果実などへと輸送されるこ
ないかと仮定した．シロイヌナズナの PHT4 ファミリー
とを報告しており，ソース器官（主に光合成の盛んな葉）
は 4 つのサブグループに分けられるが，これらの中で
からシンク器官（光合成産物を材料として生長もしくは
特に PHT4；3 ∼ PHT4；6 に着目し，大腸菌に発現させ
貯蔵が行われる生長点や子実など）への AsA 輸送機構
た組換え体タンパク質をリポソームに組込みこんだ
1）
の存在が示唆されている．Beck ら の最初の報告から
AsA 輸送活性測定系を独自に開発し，評価した．ǻȌ
30 年以上もの間，世界中の多くの研究者が植物 AsA 輸
の誘起には中性イオノフォアのバリノマイシンを用い
ている．その結果，これらの中で，PHT4；4 のみが ǻȌ
送機構の解明に取り組んできたにも関わらず，AsA 輸
AsA 輸送体に関する研究は動物分野で先行してお
と Cl−濃度依存的な AsA 輸送活性を示し，ǻpH や Na＋
依存性は認められなかった．AsA に対する Km 値およ
り，Na＋/AsA 共 輸 送 体 の SVCT1/2（SLC23A1/A2）が
び Vmax は そ れ ぞ れ 1.2 mM お よ び 520 nmol/min/mg
送体タンパク質およびその遺伝子は未同定であった．
4）
1999 年に Tsukaguchi ら によって初めて報告されて以
protein であり，Beck ら 1）の単離葉緑体を用いた結果と
来，その分子特性や生理機能に関する多くの知見が蓄
おおよそ一致する．一方で，単離葉緑体の AsA 取り込
積している．それらの詳細については他の総説に詳し
5）6）
み 活 性 は 酸 化 型 AsA に よ っ て 競 合 的 に 阻 害 さ れ る
．SVCT1/2 は Nucleobase-ascor-
が 1），PHT4；4 は AsA に特異的であり，酸化型アスコ
bate transporter（NAT）family タンパク質であり，相同性
検索によりシロイヌナズナには 12 種類の NAT 遺伝子
ルビン酸や AsA 立体異性体 D-isoAsA の影響は受けな
かった．PHT4;4 遺伝子は，AsA 生合成が盛んな葉で
（AtNAT1 ∼ AtNAT 12）が存在することから，これらが
顕著に発現し，また光により発現誘導された．PHT4；
く述べられている
AsA 輸送体ではないかと考えられていた．しかし，シ
4 抗体を用いて免疫組織化学的に局在を調べたところ，
ロイヌナズナの AtNAT 遺伝子の破壊株は，通常および
PHT4；4 タンパク質は葉の向軸側（表側）に存在する柵
強光下の葉や根などの各組織における AsA レベルやそ
状組織で発現していた．また，細胞レベルでは葉緑体
5・6 号（6 月）2015〕
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包膜のマーカータンパク質 TIC40 と局在パターンが類
の AsA 輸送を担っているのではないかと推測してい
似することから葉緑体包膜に局在することが示され
る．
た．葉の AsA レベルは光により亢進されることから，
今回植物で長年未解明だった待望の AsA 輸送体が初
PHT4；4 の発現パターンと局在は妥当な結果と言える．
シロイヌナズナの PHT4;4 遺伝子破壊株（atpht4;4）を用
めて同定されたが，ミトコンドリアの膜間スペースで
合成された AsA は，葉緑体以外にもミトコンドリアマ
い た 解 析 か ら も， 葉 緑 体 型 AsA 輸 送 体 と し て の
トリクス，液胞，アポプラスト（細胞膜外側のスペース）
PHT4；4 の役割が支持されている．atpht4;4 は野性株と
などにも存在し，また先述したように組織間でも輸送
の形態学的特徴に違いは認められなかったが，強光ス
されることから，今回同定された PHT4；4 以外にもま
トレス条件下において atpht4;4 の葉における AsA レベ
だ複数の AsA 輸送体が存在するはずである．今回の発
ルは野性株に比べて∼ 35％まで低下していた．さらに，
atpht4;4 では葉緑体中の AsA レベルの低下も認められ
見がブレークスルーとなり，植物における AsA の動態
た．葉緑体の AsA は，強光ストレスで生成する活性酸
は動物の SVCT1/2 とは特性が全く異なるが，生物間に
素種の代謝以外に，過剰な光エネルギー散逸系である
おいて AsA 輸送機構はどのような変遷を辿ってきたの
キサントフィルサイクルの駆動に必須の因子である
か進化的な側面からも興味は尽きない．
や輸送機構の全貌解明が期待される．また，PHT4；4
が，atpht4;4 では予想通り強光下のキサントフィルサ
イクル活性が低下していた．これら一連の結果は，
Key Words：vitamin C, transporter, plant, chloroplasts
PHT4；4 が AsA 輸送体として生理的に機能しており，
葉緑体への AsA 供給に不可欠な役割を担っていること
Faculty of Life and Environmental Science, Shimane Uni-
を強く支持している．一方，キサントフィルサイクル
versity
はチラコイド内腔で機能していることから，葉緑体胞
Takashi Takeuchi, Takanori Maruta, Takahiro Ishikawa
膜を通過してストロマに到達した AsA は，さらにチラ
島根大学生物資源科学部
コイド膜も通過しなければならない．著者らは PHT4；
竹内 崇，丸田 隆典，石川 孝博
4 と高い同一性を持つ PHT4；1 がチラコイド膜内腔へ
（平成 27.1.19 受付）
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文 献
AsA
⣽⬊㉁
ⴥ⥳య
1）Beck E, Burkert A, Hofmann M (1983) Uptake of L-ascorbate by
intact spinach chloroplasts. Plant Physiol 73, 41-45
2）Franceschi VR, Tarlyn NM (2002) L-ascorbic acid is accumulated
䝏䝷䝁䜲䝗
AsA
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AsA
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APX
APX
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in source leaf phloem and transported to sink tissues in plants.
Plant Physiol 130, 649-656
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3）Badejo AA, Wada K, Gao Y, Maruta T, Sawa Y, Shigeoka S,
Ishikawa T (2012) Translocation and the alternative D-galacturonate pathway contribute to increasing the ascorbate level in ripen-
䝇䝖䝻䝬
ing tomato fruits together with the D-mannose/L-galactose path⇕ᨺᩓ
way. J Exp Bot 63, 229-239
4）Tsukaguchi H, Tokui T, Mackenzie B, Berger UV, Chen XZ,
図 植物葉緑体におけるアスコルビン酸輸送機構
葉緑体内へのアスコルビン酸（AsA）輸送は胞膜に局在す
る PHT4；4 が担っており，膜電位差（ǻȌ）や Cl−依存的に
機能する．PHT4；4 は光により誘導される．葉緑体に取込
まれた AsA はストロマやチラコイド膜に局在するアスコ
ルビン酸ペルオキシダーゼ（APX）の基質としてまたチラ
コイド内腔でキサントフィルサイクル構成酵素の補因子
として利用され，光ストレス時の活性酸素種（ROS）代謝
や熱放散過程に必要である．ストロマからチラコイド膜
内腔への AsA 輸送機構は未解明である．
Wang Y, Brubaker RF, Hediger MA (1999) A family of mammalian Na+-dependent L-ascorbic acid transporters. Nature 399, 70-75
5）Wilson JX (2005) Regulation of vitamin C transport. Annu Rev
Nutr 25, 105-125
6）Bürzle M, Suzuki Y, Ackermann D, Miyazaki H, Maeda N, Clémençon B, Burrier R, Hediger MA (2013) The sodium-dependent
ascorbic acid transporter family SLC23. Mol Aspects Med 34,
436-454
7）Maurino VG, Grube E, Zielinski J, Schild A, Fischer K, Flügge
UI (2006) Identi¿cation and expression analysis of twelve mem-
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bers of the nucleobase-ascorbate transporter (NAT) gene family in
Arabidopsis thaliana. Plant Cell Physiol 47, 1381-1393
〔ビタミン 89 巻
3025-3035
9）Miyaji T, Kuromori T, Takeuchi Y, Yamaji N, Yokosho K, Shima-
8）Niopek-Witz S, Deppe J, Lemieux MJ, Möhlmann T (2014) Bio-
zawa A, Sugimoto E, Omote H, Ma JF, Shinozaki K, Moriyama Y
chemical characterization and structure-function relationship of
(2015) AtPHT4;4 is a chloroplast-localized ascorbate transporter
two plant NCS2 proteins, the nucleobase transporters NAT3 and
in Arabidopsis. Nat Commun 6i5928
NAT12 from Arabidopsis thaliana. Biochim Biophys Acta 1838,